DE112006002919T5 - Photonische Aufbauten für die effiziente Lichtextraktion und -wandlung in Mehrfarben-LEDs - Google Patents

Photonische Aufbauten für die effiziente Lichtextraktion und -wandlung in Mehrfarben-LEDs Download PDF

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Aurelien J. F. Palo Alto David
Pierre M. Santa Barbara Petroff
Claude C.A. Weisbuch
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    • H01L2933/0083—Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures

Abstract

Hocheffiziente LED, die umfasst:
(a) ein Substrat,
(b) einen ersten aktiven Bereich, der auf dem Substrat ausgebildet ist und eine oder mehrere elektrisch injizierte primäre Emissionsspezies (PES) enthält,
(c) einen oder mehrere photonische Kristalle, die auf dem ersten Bereich ausgebildet sind, und
(d) einen zweiten aktiven Bereich, der auf den photonischen Kristallen ausgebildet ist und eine oder mehrere optisch gepumpte sekundäre Emissionsspezies (SES) umfasst,
(e) wobei die photonischen Kristalle durch die PES emittierte wellengeleitete Modi extrahieren, um die SES optisch zu pumpen.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung ist mit den folgenden gleichzeitig anhängigen Anmeldungen desselben Anmelders verwandt:
    • US-Gebrauchsmusteranmeldung mit der Seriennummer 11/067,910 vom 28. Februar 2005 von Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck und Steven P. DenBaars mit dem Titel „SINGLE OR MULTI-COLOR HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) BY GROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRATE" und dem Anwaltsaktenzeichen 30794.122-US-01 (2005-145-1);
    • US-Gebrauchsmusteranmeldung mit der Seriennummer 11/067,956 vom 28. Februar 2005 von Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David und Steven P. DenBaars mit dem Titel „HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) WITH OPTIMIZED PHOTONIC CRYSTAL EXTRACTOR" und dem Anwaltsaktenzeichen 30794.126-US-1 (2005-198-1);
    • US-Gebrauchsmustersanmeldung mit der Seriennummer 11/067,957 vom 28. Februar 2005 von Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck und Steven P. DenBaars mit dem Titel „HORIZONTAL EMITTING, VERTICAL EMITTING, BEAM SHAPED, DISTRIBUTED FEEDBACK (DFB) LASERS BY GROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRAT" und mit dem Anwaltsaktenzeichen 30794.121-US-01 (2005-144-1); und
    • US-Gebrauchsmusteranmeldung mit der Seriennummer 10/938,704 vom 10. September 1004 von Carole Schwach, Claude C. A. Weisbuch, Steven P. DenBaars, Henri Bénisty und Shuji Nakamura mit dem Titel „WHITE, SINGLE ODER MULTI-"OLOR LIGHT EMITTING DIODES BY RECYCLING GUIDED MODES" und dem Anwaltsaktenzeichen: 30794.115-US-01 (2004-064-1); wobei alle diese Anmeldungen hier unter Bezugnahme eingeschlossen sind.
  • Stand der Technik
  • 1. Erfindungsfeld
  • Die Erfindung betrifft photonische Kristalle und LEDs, die aus Mehrfachwellenlängen-Lichtquellen wie etwa Leuchtstoffen bestehen.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Analog zu atomaren oder molekularen Kristallen kann ein photonischer Kristall als ein Material oder System beschrieben werden, das eine räumliche Modulation seines Brechungsindex oder seiner dielektrischen Durchlässigkeit vorsieht. Die Modulation kann periodisch oder quasi-periodisch sein oder nur eine kurze Reichweite aufweisen. Die Periodizität des Gitters (sofern vorhanden) kann eindimensional (1D), zweidimensional (2D) oder dreidimensional (3D) sein und entspricht gewöhnlich den sichtbaren bis infraroten Wellenlängen für die meisten Anwendungen. Ein verteilter Bragg-Reflektor (DER) ist der Archetyp des 1D-photonischen Kristalls. DBRs sehen Bandstrukturen vor, die denjenigen von Elektronen in Kristallen analog sind und verbotene Energien oder photonische Lücken aufweisen, wo sich kein Photon fortpflanzen kann. Defekte können in das Gitter eingeführt werden, um photonische Hohlräume oder Wellenleiter zu bilden (diese Defekte führen Zustände in die photonische Bandlücke ein, die streng lokalisierte Modi oder eine Lichtfortpflanzung an der entsprechenden Frequenz gestatten). Photonische Kristalle werden häufig für optoelektronische oder photonische, integrierte Bauelemente verwendet.
  • Eine LED ist ein Halbleiterbauelement, das Licht emittiert, wenn es elektrisch in einer Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, was als Elektroluminiszenz (EL) bezeichnet wird. Eine LED umfasst gewöhnlich zwei Schichten aus einem Halbleitermaterial. Eine Schicht ist mit Unreinheiten dotiert, sodass sie n-dotiert ist (d. h. mobile Elektronen enthält), während die andere Schicht mit einem anderen Typ von Unreinheiten dotiert ist, sodass sie p-dotiert ist (d. h. mobile Löcher enthält). Dadurch wird eine als p-n-Übergang bezeichnete Struktur gebildet. Bei einer Vorwärtsvorspannung werden Elektronen in den Übergang von dem n-Bereich und Löcher aus dem p-Bereich injiziert. Die Elektronen und Löcher geben Energie in der Form von Photonen frei, wenn sie rekombinieren. Die Wellenlänge des Lichts und damit seine Farbe hängen von der Bandlückenenergie der Materialien des p-n-Übergangs ab. Sehr dünne aktive Schichten aus Materialien, die im Vergleich zu den p- und n-Schichten kleinere Bandlücken aufweisen und gewöhnlich als Quantentöpfe (QT) bezeichnet werden, können zwischen den p- und n-Schichten eingeführt werden, um die Gesamteffizienz der LEDs wesentlich zu erhöhen und die Wellenlänge des emittierten Lichts zu variieren.
  • Die Qualität von Halbleitermaterialien hat sich während der beiden letzten Jahrzehnte vor allem aufgrund von Verbesserungen der Synthese- und Wachstumstechniken wie etwa der Molekularstrahlepitaxie (MBE), der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD), der Flüssigphasenepitaxie (LPE) usw. verbessert. Die externe Quanteneffizienz der Halbleiterbauelemente hat sich stark verbessert, wobei neue Wellenlängenbereiche erschlossen wurden. Nitridverbindungen (GaN und verwandte Legierungen wie AlGaN und InGaN) sind jetzt effiziente Emitter für violettes und blaues Licht und erzeugen ~30 Lumen/Watt für kommerzielle erhältliche LEDs, während Phosphid (AlGaInP) und Arsenid (GaAs/AlGaAs)-Verbindungen weite Verbreitung für rote und infrarote Anwendungen finden und ~30 Lumen/Watt für kommerziell erhältliche LEDs erzeugen. Die LEDs sind beinahe so effizient wie Leuchtstoffröhren, allerdings nur in den blauen und roten Wellenlängenbereichen.
  • Für den grün-gelben Teil des sichtbaren Spektrums mangelt es also weiterhin an Effizienz, wobei die Kombination von verschiedenen Farben auf einem einzelnen Substrat (wie zum Beispiel für RGB-Pixel für Farbdisplayanwendungen, für die Weißlichtemission oder für durch eine Farbmischung erzeugtes andersfarbiges Licht) stark beschränkt ist, wenn Halbleiter verwendet werden, die durch die oben genannten herkömmlichen Verfahren erzeugt werden. Deshalb sollten alternative Materialien verwendet werden, wobei Leuchtstoffe eine gute Lösung bieten.
  • Ein Leuchtstoff ist ein Material, das nach seiner Erregung durch die Absorption von Energie aus einer externen Quelle Licht erzeugten kann. Die Erregungsquelle kann einen ausreichend hochenergetischen Lichtstrahl aus einer LED umfassen. Die Erzeugung von Licht durch den Leuchtstoff aus absorbiertem licht wird als Photolumineszenz (PL) oder Fluoreszenz bezeichnet.
  • Leuchtstoffe können aus anorganischen Materialien (Granate mit Seltenerden), Licht emittierenden Molekülen oder Polymeren oder Halbleiternanokristallquantenpunkten (NQDs) hergestellt werden. Die NQD-Systeme II–VI und III–V bieten sowohl hohe Absorptionskoeffizienten (und damit kurze Absorptionslängen) in dem ultravioletten (UV) und blauen Bereichen als auch die Möglichkeit, den effektiven Brechungsindex zu ändern, indem die Matrix geändert wird, in der die NQDs eingebettet sind (zum Beispiel SiO2, TiO2 oder Polymere und Harze), ohne dass die internen Emissionseigenschaften der Quantenpunkte (zentrale Wellenlänge und Breite des Emissionsbands) modifiziert werden.
  • Im Folgenden wird der Begriff „Leuchtstoff" verwendet, um einen beliebigen Materialtyp zu bezeichnen, der eine Lichtwandlung durchführen kann, wobei es sich um verschiedene Basismaterialien handeln kann (anorganische Materialien, Licht emittierende Moleküle oder Polymere, gallertartige Quantenpunkte oder andere Licht emittierende Nanopartikeln).
  • Es gibt zwei grundlegende Kombinationschemata für Leuchtstoffe und LEDs:
    • (1) Eine blau emittierende LED in Kombination mit Leuchtstoffen. Diese Lösung wird derzeit verwendet, um weiße LEDs durch eine Kombination von blau emittierenden LEDs (im GaN/InGaN-System) mit gelb-photolumineszenten Leuchtstoffen vorzusehen. Die Farbwidergabe, die Mischung und die unterschiedlichen Direktionalitäten der LED-Emissionen (direktional) und der Leuchtstoff-Emissionen (isotrop) sowie die Gesamteffizienz derartiger Bauelemente sind wichtige Gesichtspunkte bei diesem Schema.
    • (2) Eine UV-emittierende LED in Kombination mit Leuchtstoffen. Allgemein kann dieses Verfahren eine bessere Farbwidergabe und Isotropie als das Schema (1) oder einen besseren Weißausgleich vorsehen. Die Gesamteffizienz ist jedoch weiterhin niedrig.
  • Diese Verfahren können eine breite Palette von Farben von Blau bis Rot erzeugen und stellen damit eine Lösung für die kostengünstige Herstellung von RGB-Displays vor, weil die Leuchtstoffe präzise positioniert werden können, um die verschiedenen Pixel zu bilden.
  • 1 zeigt einen herkömmlichen EL-PL-Mehrfarben-Aufbau 100, der eine Leuchtstoffschicht 102, die auch als sekundäre Emissionsspezies (SES) bezeichnet wird und als Beschichtung auf einer LED 104 mit einer primären Emissionsspezies (PES) 106 vorgesehen ist, eine Pufferschicht 108, ein Substrat 110 und Metallkontakte 112, die mit einer Stromversorgung 114 verbunden sind, umfasst. Bei einer Vorwärtsvorspannung werden Elektroden (e–) in den p-n-Übergang des PES 106 aus dem n-Bereich injiziert und werden Löcher (h+) aus dem p-Bereich injiziert, wobei die Elektronen und die Löcher veranlassen, dass die PES 106 Energie in der Form von Photonen 118 freilässt, wenn diese rekombinieren. Die SES 102 wird optisch erregt (116), nachdem sie das direkt extrahierte Licht 118 aus der elektrisch gepumpten PES 106 teilweise oder vollständig absorbiert hat. Die Absorption durch die SES 102 ergibt sich aus dem Vorhandensein von zulässigen elektronischen Übergängen in Resonanz mit den Photonenenergien der PES 106. Die SES 102 emittiert dann erneut Photonen 116 mit niedrigeren Energien oder längeren Wellenlängen, wenn sie auf ihre Grundzustände entspannt werden. Diese PL durch die SES 102 wird für eine Anzeige oder Beleuchtung verwendet, manchmal in Kombination mit dem durch die PES 106 emittierten Licht. Das Emissionsschema wird auch als Lichtwandlung bezeichnet.
  • Damit dieser Aufbau hocheffizient ist, sollten die folgenden Anforderungen erfüllt werden:
    • – der Aufbau sollte Emissionsspezies mit hohen internen Quanteneffizienzen umfassen (definiert als das Verhältnis der gesamten emittierten Lichtintensität zu der gesamten absorbierten Lichtintensität);
    • – der Aufbau sollte die Extraktion der PES- und SES-Emissionen maximieren (möglicherweise in unterschiedlichen Richtungen); und
    • – der Aufbau sollte die Absorption der PES-Emission durch die SES maximieren.
  • Eine der Hauptschwierigkeiten bei derartigen halbleiterbasierten Aufbauten ergibt sich jedoch durch den Verlust großer Teile der PES- und SES-Lichtemissionen aufgrund einer totalen internen Reflexion (TIR), wie schematisch in 2A, 2B und 2C gezeigt.
  • 2A zeigt ein Bauelement 200, das ein (dielektrisches) Halbleitersubstrat 202 mit planen Schichten mit einem hohen Brechungsindex (n) sowie eine PES 204 umfasst. Über dem Bauelement 200 ist ein äußeres Medium 206 (Luft oder eine Epoxidschicht) mit einem geringen n vorgesehen. Es sind extrahierte Emissionen 208 von der PES 204 zu dem äußeren Medium 206 und verlorene Emissionen 210 zu dem Substrat 202 gezeigt. Weiterhin sind Totalreflexionen (TIR) 212 gezeigt, die einen wellengeleiteten Modus (WG-Modus) 214 der niedrigsten Ordnung (auch einfach als geleiteter Modus bezeichnet) durch die dünnen Schichten des Substrats 202 zur Folge haben.
  • Wenn Licht innerhalb der planen Schichten des Substrats 202 mit hohen Werten von n emittiert wird, kann nur ein begrenzter Strahlenkegel direkt nach oben 208 in das äußere Medium 206 extrahiert werden. Dieser „Fluchtkegel" definiert den Teil eines soliden Winkels, der mit den Richtungen der möglichen direkten Extraktion 208 assoziiert ist. Der Öffnungswinkel des Fluchtkegels wird im folgenden als θc bezeichnet (θc = arcin(nout/nin)). Je größer die Differenz der Brechungsindizes, desto kleiner ist θc und desto schmaler ist der Fluchtkegel.
  • Die TIR-Modi 212, die in den optisch dichten (mit einem hohen Index versehenen) Materialien des Substrats gefangen bleiben, gehen aufgrund einer internen Reabsorption und einer nicht-strahlenden Relaxation größtenteils verloren und können manchmal durch die Seiten des Bauelements 200 austreten. Als WG-Modi 214 können sie mehr als 50% der Gesamtemission der PES 204 ausmachen, die in diesen Schichten mit hohem Index eingebettet sind. Dieser Verlustmechanismus wirkt einer Maximierung der Extraktion der Emission der PES 204 entgegen.
  • Wenn Leuchtstoffe 216 (mit einem niedrigeren Index) auf den optisch dichten Schichten 202 (mit einem höheren Index) platziert werden, wird ein großer Teil der Emissionen 208 ebenfalls innerhalb der Schichten mit hohem Index wie in 2B und 2C gezeigt wellengeleitet, wobei 208a ein emittiertes Licht ist, das direkt extrahiert und durch die Leuchtstoffe 216 absorbiert wird, während 208b die von den Leuchtstoffen 216 emittierte PL ist, 214a ein Erregungs-WG-Modus einer niedrigeren Ordnung ist und 214b ein Erregungs-WG-Modus einer höheren Ordnung ist.
  • Tatsächlich weisen elektrische Dipole, die ausreichend nahe an einer Schicht mit einem hohen Index angeordnet sind, immer Emissionen auf, die aus evaneszenten Wellen bestehen, die effizient zu TIR-Modi gekoppelt werden können. Dies ist in dem Bauelement 300 von 3A gezeigt, das einen elektrischen Dipol 302 als bei λo emittierende Quelle nahe einem dichten, planen Medium 304 (wobei nin > nout) umfasst, d. h. mit einem Abstand d, der gewöhnlich kleiner als λo ist, und evaneszente Wellen 306 erzeugt, die zu TIR- oder WG-Modi 308 innerhalb der Schicht 304 mit hohem Index gekoppelt werden.
  • 3B zeigt Dipolemissionsdiagramme für einen horizontalen und einen vertikalen Dipol in einem Medium mit n = 1,5 nahe einem planen Hohlraum von n = 2,5. Luft ist über dem Aufbau vorhanden, wobei ein Substrat mit n = 1,7 im unteren Teil des Aufbaus eingeschlossen ist. Die Diagramme zeigen die unterschiedlichen Komponenten, die zu der Dipolemission beitragen: direkt extrahiertes Licht in der Luft (k||/ko < 1), TIR (1 < k||/ko < 1,7) und WG-Modi (k||/ko > 1,7) sind vorhanden, wobei ko der Wellenvektor von Licht in einem Vakuum ist und k|| die Ebenenkomponente des Wellenvektors von Licht für das Medium 304 ist. 3C ist eine schematische Ansicht, die die für diese Simulationen gewählte Mehrfachschicht zeigt.
  • Je näher die emittierenden Dipole 302 dem dichteren planen Medium 304 sind, desto größer ist der Anteil der evaneszenten Wellen 306 (> 50% der Gesamtemissionen für Dipole in der Nachbarschaft zu der Schnittfläche, d < 100 nm) und damit der TIR-Modi in dem dichteren planen Medium 304. Es ist zu beachten, dass in der Nähe der Schnittfläche der 1D-Purcell-Faktor nicht zu vernachlässigen ist und 1,6 für derartige Aufbaten erreichen kann. Dieser Faktor entspricht der Erhöhung der spontanen Emissionsrate kr der SES, wobei die interne Quanteneffizienz durch ηint = kr/(kr + knr) für die meisten Licht emittierenden Materialien angegeben wird und knr die nicht-strahlende Rekombinationsrate ist. NQDs können ausreichend hohe Absorptionskoeffizienten bieten, sodass das PES-Licht innerhalb von einigen wenigen hundert Nanometern absorbiert werden kann, was dem Bereich eines hohen Purcell-Faktors entspricht.
  • Bei modernen Mehrfarben-LEDs geht das TIR- oder WG-Licht gewöhnlich verloren, was erheblich zu der begrenzten externen Effizienz der LEDs beiträgt. Die reduzierten Gesamteffizienzen verursachen eine Überhitzung der Bauelemente, weil höhere Spannungen angelegt werden müssen, um die Verluste zu kompensieren, sodass die Materialdegradation schneller ist.
  • Außerdem sind die gewöhnlich verwendeten Leuchtstoffe (Seltenerd-Granate) durch die Konzentration der emittierenden Ione beschränkt, sodass die LEDs mit dicken Epoxid/Leuchtstoff-Mischungen (mit einer Höhe von 1 mm oder mehr) beschichtet werden müssen, was häufig in der Form einer Halbkugel vorgenommen wird, um einige TIR-Modi auszukoppeln. Diese großen Dimensionen bringen wiederum eine Reduktion der Helligkeit und der Kompaktheit des Bauelements mit sich.
  • Es besteht ein Bedarf dafür, die Fernfeldmuster von verschiedenen Emissionskomponenten (QTs, Leuchtstoffen) zu verbessern, die die Farbwidergabe vom Winkel abhängig machen: zum Beispiel Weißlicht-LEDs, die durch eine Kombination von blauen QTs und gelben Leuchtstoffen gebildet werden, erscheinen in der Mitte bläulich und in den äußeren Bereichen des Fernfeldmusters gelb (die Farbwidergabe ist also nicht isotrop).
  • Deshalb besteht ein Bedarf dafür, die Eigenschaften von mehrfarbige LEDs zu verbessern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung gibt Entwurfsprinzipien für und Beispiele von hocheffizienten, hellen LEDs an, die unter Verwendung von mehreren Emissionsspezies und optimierten photonischen Kristallen mit verschiedenen Wellenlängen emittieren. Eine LED umfasst ein Substrat, eine auf dem Substrat gewachsene Pufferschicht (wenn eine derartige Schicht erforderlich ist), einen ersten aktiven Bereich, der elektrisch injizierte primäre Emissionsspezies (PES) enthält, einen zweiten aktiven Bereich, der durch das Licht aus den PES optisch gepumpte sekundäre Emissionsspezies (SES) enthält, und photonische Kristalle, die durch die PES emittierte wellengeleitete Modi extrahieren, um die SES optisch zu pumpen. Die photonischen Kristalle wirken als Beugungsgitter und sehen eine hohe Lichtextraktionseffizienz, eine effiziente Erregung der SES und/oder Möglichkeiten zum Entwerfen des Fernfeld-Emissionsmusters für eine optimale Form vor.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um entsprechende Teile anzugeben.
  • 1 zeigt einen herkömmlichen elektrolumineszenten/photolumineszenten, mehrfarbigen LED-Aufbau, wobei Leuchtstoffe oder sekundäre Emissionsspezies (SES) durch eine Halbleiter-LED mit elektrisch gepumpten primären Emissionsspezies (PES) optisch gepumpt werden.
  • 2A zeigt einen Bauelementaufbau, bei dem Totalreflexions-Modi (TIR-Modi) (als einfacher wellengeleiteter Modus wiedergegeben) in herkömmlichen Bauelementen verloren gehen, während 2B und 2C einen herkömmlichen Aufbau mit den zwei Emissionsspezies und der TIR für dieselben zeigt.
  • 3A, 3B und 3C zeigen die Kopplung von evaneszenten Wellen, die durch eine externe elektrische Dipolquelle erzeugt werden, um TIR- oder WG-Modi in den benachbarten planen Schichten mit hohem Index fortzupflanzen.
  • 4A und 4B zeigen eine evaneszente WG-Modus-Erregung von Leuchtstoffen, wobei der Effekt vergrößert wird, indem das Feld in der Nähe der Schnittflächen zwischen den Halbleiter- und Leuchtstoffschichten so weit wie möglich konzentriert wird, indem eine Zwischenschicht mit einem kleineren Brechungsindex verwendet wird.
  • 5A zeigt einen Aufbau, der eine Pufferschicht, einen ersten aktiven Bereich mit einer PES, einen photonischen Kristall oder ein Gitter und eine zweite aktive Schicht mit einer SES umfasst, während 5B und 5C Kurvendiagramme sind, die eine komplexe Dispersionsbeziehung (reduzierte Frequenz vs. reduzierter Ebenenwellenvektor) eines WG-Modus in einem ebenen Hohlraum zeigen, die durch ein Gitter auf der Oberfläche moduliert wird, wie schematisch in 5A gezeigt.
  • 6 ist eine Rasterelektronenmikroskopbild, das ein 1D-Gitter mit einer Periodizität von 165 nm und einer Tiefe von 180 nm zeigt, das in eine 2 μm-dicke und durch MOCVD auf einem Saphirsubstrat gewachsene GaN-Pufferschicht geätzt ist, wobei der GaN-Puffer auch InGaN-QTs als PES enthält.
  • 7A und 7B zeigen den Aufbau einer LED, während 7C und 7D Kurven zu zwei winkelaufgelösten PL-Messungen der LED sind.
  • 8A und 8B sind Kurven, die gemessene modale Dispersionsbeziehungen (reduzierte Frequenz vs. reduzierter Ebenenwellenvektor) zeigen, die aus dem gemessenen Winkelspektrum von 5C abgeleitet sind.
  • 9 zeigt einen komplementären Bauelementaufbau, in dem mehrere Gitter oder photonische Kristalle kombiniert sind, um verschiedene WG-Modi zu extrahieren.
  • 10A und 10B zeigen Bauelementaufbauten, die eine Photoneu-Rückführung in Kombination mit der gleichzeitigen Extraktion von Erregungs-(violett) und Leuchtstoff-PL-WG-Modi (grün) für eine hohe Lichtwandlungseffizienz zeigen.
  • 11 zeigt einen Bauelementaufbau, der eine Photonenrückführung in Kombination mit der gleichzeitigen Extraktion von PES- und SES-WG-Modi für eine hohe Lichtwandlungseffizienz leistet, wobei Zwischenschichten für die verbesserte Kopplung der TIR- oder WG-MOdi zu den photonischen Kristallen vorgesehen sind.
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte zur Herstellung eines Bauelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Bestandteil der vorliegenden Beschreibung sind und eine spezifische Ausführungsform zeigen, in der die Erfindung realisiert werden kann. Es ist zu beachten, dass auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und Änderungen am Aufbau vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
  • Übersicht
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt neue Mehrfachlichtquellen-LEDs, die höhere Lichtextraktions- und Wandlungseffizienzen sowie eine größere Helligkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung eines planen Aufbaus bieten. Die LEDs enthalten mehrere Emissionsspezies, die jeweils eine Lichtemission in einem Wellenlängenbereich vorsehen. Einige der Spezies sind elektrisch gepumpt, während andere Spezies optisch gepumpt sind. Die photonischen Kristalle, die als Beugungsgitter dienen, stellen eine effiziente Lichtextraktion und eine effiziente Erregung der optisch gepumpten Spezies sicher und/oder sehen eine Einrichtung zum Modifizieren des Fernfeld-Emissionsmusters vor.
  • Die LED umfasst ein Substrat, eine auf dem Substrat gewachsene Pufferschicht (wenn eine derartige Schicht erforderlich ist), einen ersten aktiven Bereich einschließlich von elektrisch gepumpten PES, photonische Kristalle, die als Beugungsgitter dienen, und einen zweiten aktiven Bereich einschließlich von optisch gepumpten SES. Die SES absorbiert einen Teil des durch die PES emittierten Lichts und emittiert das Licht dann erneut in einem anderen Wellenlängenbereich oder in mehreren Wellenlängenbereichen, wenn mehrere Emissionsspezies in der SES kombiniert sind. Die LED kann zum Beispiel als Weißlichtquelle dienen. Um das Problem der Lichtextraktion zu beseitigen, können ein oder mehrere photonische Kristalle enthalten sein (zum Beispiel an der Schnittfläche zwischen den zwei Emissionsspezies). Diese Gitter können das in den TIR-Modi emittierte Licht beugen, um die Gesamtlichtextraktion zu verbessern. Sie können auch die Erregung der SES erhöhen, indem sie die Interaktion mit dem durch die PES emittierten Licht verstärken. Die Gitter können auf einer oder allen emittierten Wellenlängen wirken, wobei möglicherweise verschiedene Effekte für die Gesamteffizienz und die Fernfeld-Emissionsmuster vorgesehen werden.
  • Wenn die SES-Schicht über den Schichten mit einem hohen Index vorgesehen ist, werden die photonischen Kristalle als Extraktoren für alle TIR- oder WG-Hohlraummodi verwendet. Wenn die SES-Schicht entfernt von den Schichten mit einem hohen Index angeordnet ist, indem eine Membrane und ein Luftspalt oder eine Zwischenschicht mit einem sehr niedrigen Index zwischen der SES und den Schichten mit hohem Index verwendet wird, können zwei photonische Kristalle verwendet werden: einer über den Schichten mit einem hohen Index, um die PES-WG-Modi zu extrahieren, und einer in den SES-Schichten, um die auch in dieser Schicht induzierten WG-Modi zu streuen. Die Tiefe der photonischen Kristalle kann dann modifiziert werden, um den nach oben emittierten Anteil des Lichts zu vergrößern. Der Abstand und die Basis der photonischen Kristalle werden verwendet, um das Fernfeld-Emissionsmuster zu bestimmen.
  • Technische Beschreibung
  • Bei den derzeitigen Aufbauten kann die Erregung der SES durch die Emission der PES nicht hocheffizient sein, weil nur ein kleiner Teil des PES-Lichts direkt extrahiert wird, nämlich nur ungefähr 10%. Um die erforderliche Extraktion der TIR-Modi vorzusehen, wurden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Leuchtstofflichtwandlungseffizienz entwickelt.
  • Ein Ansatz ist in der US-Gebrauchsmusteranmeldung mit der Seriennummer 10/938,704 vom 10. September 2004 (Carole Schwach, Claude C. A. Weisbuch, Steven P. DenBaars, Henri Bénisty und Shuji Nakamura mit dem Titel „WHITE, SINGLE OR MULTI-COLOR LIGHT EMITTING DIODES BY RECYCLING GUIDED MODES" mit dem Anwalts-Aktenzeichen 30794.115-US-01 (2004-064-1) beschrieben, die hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist. Diese Anmeldung konzentriert sich auf das Problem der Lichtextraktion aus LEDs ohne Leuchtstoffe, wobei die TIR-Modi eines dünnen LED-Aufbaus effizient zu WG-Modi gewandelt werden.
  • Die vorliegende Erfindung dagegen nimmt auf Probleme der Effizienz, Farbwidergabe und Helligkeit bei Leuchtstoffen an LEDs Bezug. Die Lösung für das Extrahieren aller TIR-Modi, die Erhöhung der Absorption der PES-Emission durch die SES und die Umverteilung des Fernfeld-PES/SES-Emissionsmusters liegt in der 3D-Anordnung des Brechungsindex der im Bauelement enthaltenen Filme. Dabei werden die gewöhnlich verwendeten Baublöcke von photonischen Bauelementen berücksichtigt und entsprechend implementiert: Wellenleiter oder plane Hohlräume, Reflektoren, Gitter, photonische Kristalle usw. in Kombination mit traditionellen geometrischen Ansätzen (kugelförmige Leuchtstoffschicht, strukturierte Oberfläche usw.). Die Helligkeit und die Kompaktheit können durch die Verwendung von SES mit höheren Absorptionskoeffizienten, d. h. mit einer erhöhten Konzentration von Emissionszentren oder Dipolen wie etwa emittierenden Molekülen oder NQDs verbessert werden.
  • 4A und 4B zeigen die WG-Hohlraummodi-Erregung von Leuchtstoffen, wobei der Effekt dadurch verstärkt wird, dass das Feld in der Nähe der Schnittfläche zwischen den Halbleiter- und Leuchtstoffschichten möglichst stark konzentriert wird, indem eine Zwischenschicht mit einem kleineren Brechungsindex zum Beispiel über der Pufferschicht verwendet wird.
  • Insbesondere zeigt 4A ein Bauelement 400, das ein Substrat 402 mit einem niedrigen Index, eine oder mehrere aktive Schichten 404 und eine Leuchtstoffschicht 406 umfasst. Der WG-Modus 408 leckt in die Leuchtstoffschicht 406 und verursacht PL-Emissionen 410 aus der Leuchtstoffschicht 406.
  • Außerdem zeigt 4B ein Bauelement 412, das ein Saphirsubstrat 414 mit n = 1,8, eine 2 μm dicke GaN-Pufferschicht 416 mit n = 2,5, eine 500–1000 nm dicke AlGaN-Grenzschicht 418 mit n = 2,3–2,4, eine 100–300 nm dicke GaN-Wellenleiterschicht 420 mit QT 422 mit n = 2,5 und einen 1 μm dicken QT-Film 424 mit n ≈ 1,5 ± 0,1 umfasst, wobei der WG-Modus 426 in den QT-Film 424 leckt. Die entsprechenden Brechungsindizes (n) sind in dem Diagramm 428 rechts von dem Bauelement 412 angegeben.
  • Dieser Effekt wird verstärkt, indem eine Zwischenschicht mit einem niedrigeren Index in der PES-Schicht integriert wird, um die Erregung der SES durch die PES-WG-Hohlraummodi zu verstärken und um auch die Indexdifferenz zwischen den zwei Materialien zu optimieren. Bei einer derartigen Geometrie emittiert die SES einen großen Teil ihrer Gesamtemission in TIR- oder WG-Modi des mehrschichtigen Aufbaus. Wiederum begrenzt diese Emission die Gesamteffizienz der Einrichtung. Durch die Integration eines Gitters oder eines photonischen Kristalls zwischen den Leuchtstoffen und der Schicht mit einem hohen Index können diese Modi extrahiert werden. Ein einfacher photonischer Kristall reicht aus, um beide Komponenten (aus der PES und aus der SES zu extrahieren, auch wenn eine große Energiedifferenz zwischen den zwei Lumineszenzbändern vorhanden ist.
  • 5A zeigt einen Aufbau 500, der eine Haltestruktur 502 (wie etwa eine Pufferschicht über einem Substrat), einen ersten aktiven Bereich 504 mit einer oder mehreren elektrisch injizierten PES in einer PES-Schicht, ein oder mehrere Gitter oder photonische Kristalle 506 und einen zweiten aktiven Bereich 508 mit einer oder mehreren optisch gepumpten SES in einer SES-Schicht umfasst. Es ist zu beachten, dass die photonischen Kristalle 506 in der Nähe des ersten und zweiten Bereichs 504 und 508 ausgebildet sind.
  • Die photonischen Kristalle 506 extrahieren die durch die PES 504 emittierten WG-Modi 510, um die SES 508 optisch zu pumpen. Außerdem extrahieren die als Streuzentren oder Beugungsgitter dienenden photonischen Kristalle 506 die durch die PES 504 emittierten WG-Modi 510, extrahieren die durch die SES 508 emittierten WG-Modi, sodass ein gebeugtes Licht 514 durch die SES 508 emittiert wird, und bestimmen die Direktionalität oder Isotropie der Fernfeld-Emissionsmuster.
  • Allgemein umfassen die photonischen Kristalle 506 eine oder mehrere Zwischenschichten, die über oder unter der PES- Schicht 504 oder der SES-Schicht 508 integriert sind. Eine oder mehrere der Zwischenschichten können strukturiert sein.
  • In einer Ausführungsform sind die photonischen Kristalle 506 eindimensionale (1D) Beugungsgitter, die eine Lichtextraktion in allen Richtungen nahe einer zu den Gittern senkrechten Richtung vorsehen. In einer anderen Ausführungsform sind die photonischen Kristalle periodische, quasiperiodische oder für eine kurze Reichweite vorgesehene zweidimensionale (2D)-Streuzentren oder Beugungsgitter, die eine omnidirektionale Lichtextraktion oder direktionale Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen. In einer weiteren Ausführungsform sind die photonischen Kristalle 506 zufällig strukturiere, zweidimensionale (2D) Streubereiche, die eine omnidirekationale Lichtextraktion und isotropische Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen.
  • Die Parameter der photonischen Kristalle 506 werden derart gewählt, dass die Lichtextraktion nach oben oder unten optimiert ist. Außerdem können die Parameter der photonischen Kristalle 506 über die LED variieren.
  • 5B und 5C zeigen die berechnete komplexe Dispersionsbeziehung (reduzierte Frequenz vs. reduzierter Ebenenwellenvektor) eines WG-Modus in einer Mehrfachschicht einschließlich eines planen Hohlraums mit einem flachen 1D-Gitter auf der Oberfläche, wie schematisch in 5A gezeigt. Die Strichlinien geben die Lichtlinien für die Strahlung in der Luft oder in dem Saphirsubstrat wieder. Für diesen WG-Modus und diese Bauelementgeometrie können beide Frequenzen (in Entsprechung zu dem Erregungslicht und der Leuchtstoff-PL) gleichzeitig mit verschiedenen Winkeln extrahiert werden. Und gerade im Fall von Leuchtstoffen auf einer LED treten verschiedene Frequenzen auf.
  • Das Konzept konnte durch experimentelle Ergebnisse betätigt werden.
  • Eine 2 μm dicke GaN-Pufferschicht wurde durch MOCVD auf einem Saphirsubstrat ausgebildet, wobei mehrere Proben von diesem Wafer geschnitten wurden. Dann wurden verschiedene Verarbeitungsschritte einschließlich von holographischen Belichtungen durchgeführt, um 1D-Gitter (mit verschiedenen Periodizitäten Λ) auf den oberen Flächen der Proben und über große Bereiche auszubilden. Die Tiefen der Gitter betrugen wie in 6 gezeigt zwischen 150 und 200 nm.
  • Insbesondere zeigt 6 ein 1D-Gitter mit einer Periodizität von 165 nm und einer Tiefe von 180 nm, das in eine 2 μm dicke GaN-Pufferschicht geätzt ist, die durch MOCVD auf einem Saphirsubstrat gewachsen ist. Der GaN-Puffer enthält auch InGaN-QTs als PES (nicht in diesem Rasterelektronenmikroskopbild zu erkennen). Eine 2 μm dicke GaN-Schicht zwischen der Luft und dem Saphir kann theoretisch zwischen 10 und 20 WG-Modi (in dem Wellenlängenbereich von 400 bis 800 nm) enthalten. Die Gitter wurden mit CdSe-NQDs (aus einer Toluenlösung tropfengegossen) beschichtet, das nach dem Trocknen ungefähr 1 μm dicke Schichten bildete.
  • 7A und 7B zeigen den gleichen mehrschichtigen Aufbau 700, der CdSe-NQD-Leuchtstoffe 702 als Beschichtung für eine GaN-Schicht 704, die InGaN-QTs 706 enthält und durch MOCVD auf einem Saphirsubstrat 708 vorgesehen ist, und ein 1D-Gitter 710 auf der GaN-Schicht. In 7A und 7B ist ein Detektor 712 über dem mehrschichtigen Aufbau 700 mit einem Azimutwinkel θ vorgesehen. Die Probe ist gedreht, um die Gitterlinien parallel (7A) oder senkrecht (7B) zu der Drehebene des Detektors vorzusehen.
  • Es wurden Messungen auf den Aufbauten von 7A und 7B durchgeführt, die zwei verschiedenen Gitterperiodizitäten, aber denselben GaN/AlGaN-Wafer und dieselben CdSe-NQD-Leuchtstoffe aufweisen. 7C und 7D zeigen zwei winkelaufgelöste PL-Messungen, die verschiedene in Abhängigkeit von dem Azimutwinkel (Fernfeld-Emissionsmuster) erfasste PL-Spektren kombinieren, nachdem die violetten InGaN-QTs und die gelb-grünen NQD-Leuchtstoffe mit einem UV-HeCd-Laserstrahl (λ0 = 325 nm) erregt wurden.
  • 7C zeigt eine Winkelmessung parallel zu dem Gitter (mit einer Periodizität von 260 nm) als Bezug. Tatsächlich kann das Gitter das Licht nur in den Richtungen effektiv beugen, die nahe der Senkrechten zu den Gitterlinien sind. Zwei Hauptemissionsbänder sind um 410 nm und 520 nm erkennbar, die jeweils direkt aus den InGaN-QTs und den NQD-Leuchtstoffen PL-extrahiert werden. Beachtenswert ist die quasiisotrope Form der Emission mit Ausnahme von Seitenspitzen, die auf gestreutes Licht und/oder aus den Seiten der Probe austretende WG-Modi zurückzuführen sind. Das Spektrum umfasst einen feineren Aufbau aus mehreren dünneren Kurven, die durch Fabry-Perot-konstruktive Interferenzen verursacht werden, die durch die beiden Schnittflächen zwischen dem GaN und der Luft und zwischen dem GaN und dem Saphir sowie aus der Beugung der sich nicht parallel zu den Gitterlinien fortpflanzenden WG-Modi erzeugt werden.
  • 7D zeigt eine Winkelmessung senkrecht zu dem Gitter. In diesem Fall erscheinen mehrere nah zueinander beabstandete gekrümmte Linien in dem Spektrum über der direkt extrahieren PL und den Fabry-Perot-Modulationen. Diese Linien geben Komponenten der WG-Modi wieder, die in der Richtung senkrecht zu dem Gitter durch Beugung erzeugt werden. Diese Linien werden nachfolgend als „gebeugte Modi" bezeichnet.
  • Weil in eine Vergleich zwischen 7C und 7D die Spektren auf derselben Probe und unter denselben Bedingungen erhalten wurden, kann deutlich eine Vergrößerung des PL-Signals in der senkrechten Richtung im Vergleich zu der parallelen Richtung bei beinahe allen Wellenlängen und beinnahe allen Winkeln festgestellt werden. Es gibt deshalb eine vergrößerte Lichtextraktion der PES- und SES-Emissionen wenigstens in den Richtungen nahe der Senkrechten zu dem Gitter (2D-Gitter oder photonische Kristalle sehen eine omnidirektionale Extraktion vor).
  • 8A und 8B zeigen modale Dispersionsbeziehungen (reduzierte Frequenz vs. reduzierter Ebenenwellenvektor), die direkt aus dem gemessenen Winkelspektrum von 5C (weil k|| = k0 sinθ) mit Λ = 260 nm in 8A, und aus einer anderen Messung an einer ähnlichen Probe mit Λ = 220 nm in 8B erhalten werden. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Kurven liegt darin, dass die gebeugten Modi einfach nach unten verschoben werden, wenn die Periodizität abnimmt, was von einer Skaleninvarianz zu erwarten ist. Die Änderung in der Periodizität modifiziert die Lichtextraktion und die Direktionalitäten des gebeugten Lichts aus beiden Emissionen. Die Extraktion ist bei einer größeren Periodizität vertikaler. Schließlich geht aus den beiden Kurven hervor, dass nur WG-Modi mit einer ausreichenden hohen Ordnung (solche mit einem niedrigen effektiven Brechungsindex) effizient gebeugt werden, während diejenigen mit einem hohen Index in dem inneren Teil der GaN-Schicht vorhanden sind und das Gitter nicht so stark überlappen wie die anderen.
  • Die Ergebnisse zeigen also, dass ein einfaches Gitter die Extraktion der PES- und SES-Emissionen vergrößern kann. Die insgesamt erhöhte PL der SES ergibt sich also aus zwei komplementären Effekten. Erstens erhöht die verbesserte Extraktion der PES-Emission die Erregung der SES, wodurch wiederum eine intensivere, direkt extrahierte Emission erzeugt wird. Und zweitens extrahiert das Gitter die durch die SES-Emission induzierten WG-Modi zu evaneszenten Wellen. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass ein einzelnes Gitter Teile der Emission auf kontrollierbare Weise umlenken kann (weil die Richtung der gebeugten Modi nur von der Geometrie der Schichten und der Periodizität des Gitters abhängt) und eine Kompensation für nicht-isotrope Farbwidergabeprobleme bei aktuellen LEDs gestattet.
  • Aus diesen grundlegenden Beispielen können die Prinzipien verallgemeinert werden, wobei eine Anzahl von alternativen und/oder komplementären Aufbauten vorgesehen werden können.
    • [1] Die SES-Schicht kann über einer Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex (Luftspalt oder Dielektrikum mit einem niedrigen Index wie etwa ein poröses Siliciumdioxid) angeordnet sein, wodurch die Kopplung der SES-Evaneszenzwellen zu TIR-Substratmodi oder WG-Hohlraummodi aufgehoben wird. Die SES-WG-Modi sind in diesem Fall in dieser Schicht und nicht in den Schichten mit einem hohen Index vorgesehen, wo sich nur die PES-WG-Modi fortpflanzen. Durch diese Trennung der Leuchtstoffschicht von dem Hauptsubstrat wird der Purcell-Effekt unterdrückt, und es wird eine bessere Wärmeisolation der Leuchtstoffschicht von dem LED-Subsrat erzielt, dessen Temperatur während des Betriebs um 100°C steigen kann. Diese Trennung vereinfacht auch den folgenden Punkt.
    • [2] Es können mehr als ein 1D-Gitter in dem Aufbau integriert sein, um die verschiedenen Lichtemissionskomponenten verschieden zu beugen. Es kann ein weiteres Gitter auf der oberen Fläche des Leuchtstoffs ausgebildet werden. 9 zeigt ein Bauelement 900, das umfasst: ein Substrat 902, eine Pufferschicht 904 mit einem ersten und einem zweiten Gitter 906, 908, wobei das zweite Gitter auch als Beschränkungsschicht dient, eine PES-Schicht 910 und eine Leuchtstoffschicht 912, die von dem Substrat 902 und der Pufferschicht 904 durch einen Luftspalt oder ein Dielektrikum 914 mit einem niedrigen Index getrennt ist. Die Leuchtstoffschicht 912 kann ein Oberflächengitter oder einen photonischen Kristall 916 umfassen. Weiterhin gibt das Bezugszeichen 918 die WG-Modi von der PES-Schicht 910 an, gibt 920 das von der PES-Schicht 920 extrahierte Licht an, gibt 922 die WG-Modi aus der Leuchtstoffschicht 912 (der SES) an und gibt 924 das aus der SES gebeugte Licht an.
  • Alternativ hierzu kann ein 1D-Gitter mit einer derartigen Periodizität ausgebildet werden, dass die PES-WG-Modi mit Winkeln gebeugt werden, die beinahe parallel zu den Schichten sind. Das gebeugte Licht pflanzt sich dann beinahe in der Ebene in der Leuchtstoffschicht fort. Das ist natürlich vorteilhaft, weil eine größere Absorption auftritt, wenn sich das Licht über längere Distanzen in einem absorbierenden Material fortpflanzen kann. In planen Bauelementen sind größere Distanzen in der Ebene verfügbar, wobei in diesem Fall eine höhere Absorption des PES-Lichts durch die SES erzielt wird und nur eine dünne Beschichtung mit Leuchtstoff erforderlich ist.
    • [3] Mehrere 1D-Gitter können an verschiedenen Positionen mit jeweils unterschiedlichen Ausrichtungen integriert werden, um eine Beugung in mehr als einer Richtung zu erzielen.
    • [4] 2D-photonische Kristalle, die als 2D-Beugungsgitter dienen, können anstelle von mehreren 1D-Gittern integriert werden, wodurch die Extraktion in allen Richtungen verbessert wird und gleichzeitig die Verarbeitungskomplexität reduziert wird. Es können wiederum mehr als ein 2D-photonischer Kristall verwendet werden um die verschiedenen Lichtemissionskomponenten unterschiedlich zu beeinflussen. Es sind auch andere Alternativen möglich, wobei das oben genannte Schema jedoch auch in diesen neuen Ansätzen vorteilhaft ist, die Prozesse wie etwa ein laterales Epitaxieüberwachsen (LEO) verwenden. (Siehe die US-Gebrauchsmusteranmeldung mit der Seriennummer 11/067,910 vom 28. Februar 2005 von Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck und Steven P. DenBaars mit dem Titel „SINGLE ODER MULTI-COLOR HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) BY GROWTH OVER A PATTERNDED SUBSTRATE" mit dem Anwaltsaktenzeichen 30794.122-US-01 (2005-145-1), deren Veröffentlichung hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist.) Die richtige Periodizität kann wie oben beschrieben gewählt werden, um beide Extraktionen zu gestatten.
    • [5] Beschränkungsschichten können eingeführt werden oder Substratentfernungstechniken angewendet werden, um die Haupt-WG-Schicht effektiv zu verdünnen, um das Auslecken des WG-Modus oder die Überlappung mit den photonischen Kristallen zu erhöhen und/oder Mikrohohlraumeffekte zu nutzen. (Siehe die US-Gebrauchsmusteranmeldung mit der Seriennummer 11/067,956 vom 28. Februar 2005 von Claude C. A. Weibuch, Aurelien J. F. David und Steven P. DenBaars mit dem Titel „HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) WITH OPTIMIZED PHOTONIC CRYSTAL EXTRACTOR" mit dem Anwaltsaktenzeichen 30794.126-US-01 (2005-198-1), die hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.) Die LEO-Technik kann auch hier in Kombination mit einem Oberflächengitter oder einem photonischen Kristall 914 für die Leuchtstoffschicht 910 ähnlich wie in 9 gezeigt angewendet werden.
    • [6] Es können mehr als eine Emissionsspezies als PES oder SES integriert sein. Das Verfahren kann auf die ultraviolette oder blaue PES angewendet werden.
    • [7] Es können verschiedene PES in verschiedenen Bereichen eines Bauelements positioniert werden, um mehrfarbige Pixel zu bilden. Wiederum kann für jeden Pixeltyp ein anderer photonischer Kristall verarbeitet werden, um eine homogene Effizienz und Ausrichtung für alle Farben vorzusehen.
    • [8] Die Integration von metallischen oder dielektrischen Spiegeln (wie etwa verteilten Bragg-Reflektoren (DBRs)) unter oder über den aktiven Schichten kann die Extraktionseffizienz wie in 10A und 10B gezeigt verbessern. 10A und 10B zeigen die Verwendung einer Photonen-Rückführung in Kombination mit der gleichzeitigen Extraktion der PES und SES-WG-Modi für eine hohe Lichtwandlungseffizienz. Das direkt extrahierte PES-Licht kann umgelenkt werden, um mehr als einen Durchlauf durch die SES-Schicht durchzuführen. Dies wird bewerkstelligt, indem ein metallischer oder dielektrischer Spiegel über der SES-Schicht eingeführt wird. Insbesondere zeigen 10A und 10B Einrichtungen 1000, die jeweils umfassen: ein Substrat/eine Pufferschicht 1002, eine Beschränkungsschicht 1004, eine aktive Schicht 1006 mit einer PES 1008, ein Gitter 1010, eine Leuchtstoffschicht 1012 und eine DBR 1014 für eine Erregung, die transparent für die PL der Leuchtstoffschicht 1012 ist. In 10A lecken die WG-Modi 1016, 1018 in die Leuchtstoffschicht 1010, sodass Strahlungsmodi 1020 und Modi 1022 durch den Spiegel 1014 reflektiert werden. In 10B lecken die WG-Modi 1016, 1018 in die Leuchtstoffschicht 1010, was eine verlorene Emission 1024 und durch den Spiegel 1014 reflektierte Modi 1022 zur Folge hat. Die Spiegel reflektieren die direkt extrahierte Erregung und die durch das Gitter oder die photonischen Kristalllichter induzierte Strahlung.
  • 11 zeigt, wie Zwischenschichten zwischen dem Leuchtstoff und den Schichten mit einem hohen Index auch in Kombination mit metallischen oder dielektrischen Spiegeln vorgesehen werden können. Insbesondere zeigt 11 eine Einrichtung 1100, die umfasst: eine Substrat-/Pufferschicht 1102, eine gemusterte Begrenzungsschicht oder DBR 1104, eine aktive Schicht 1106 einschließlich einer PES 1108 und einen Luftspalt oder ein Dielektrikum 1110 mit einem niedrigen Index. DBRs 1112, 1114, 1116 sehen eine Erregung vor, die transparent für die PL einer Leuchtstoffschicht 1118 ist. Die WG-Modi 1120 der PES 1108 lecken 1222 in die Leuchtstoffschicht 1118, was WG-Modi 1124 für die Leuchtstoffschicht 1118 (SES), gebeugte SES-Emissionen 1126 und reflektierte Modi 1128 und Modi 1130 zur Folge hat.
  • Die Integration von metallischen oder dielektrischen Spiegeln ermöglicht, dass das Bauelement Teile des emittierten Lichts umlenkt, die in unerwünschten Richtungen austreten. Dies wird durch DBRs 1112, 1114, 1116 bewerkstelligt. Zum Beispiel wird der DBR 1112 unter dem Substrat 1102 vorgesehen, um sich nach unten fortpflanzende Emissionen nach oben zu reflektieren.
  • Andere Spiegel oder DBRs können über und unter den verschiedenen Emissionsspezies angeordnet erden, um Mikrohohlräume (d. h. plane Hohlräume mit Dicken in der Ordnung von einer Wellenlänge) zu bilden. Dadurch kann die Erfindung zum Beispiel die Extraktionseffizienz verbessern und/oder die Ausrichtung des Fernfeld-Emissionsmusters modifizieren.
  • Eine direkte Verarbeitung über einer aktiven Schicht kann Defekte einführen und einen Verlust der internen Effizienz verursachen (z. B. können InGaN-QTs durch ein Trockenätzen beschädigt werden). Alternative Ansätze zum Vermeiden einer Gitterausbildung auf der LED-Fläche sind etwa:
    • [9] Das Ausbilden einiger der photonische Kristalle auf separaten Membranen mit einem hohen Brechungsindex (z. B. auf Si3N4-Membranen), die dann auf den LEDs angeordnet werden können.
    • [10] Das Auftragen eines Sol-Gel-Films mit einem hohen Brechungsindex (z. B. TiO2) auf der LED-Fläche, um die photonischen Kristalle herzustellen und dann den Leuchtstofffilm aufzutragen.
  • Verarbeitungsschritte
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte zum Herstellen eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Der Block 1200 gibt einen Schritt zum (optionalen) Ausbilden einer Pufferschicht auf einem Substrat wieder.
  • Der Block 1202 gibt einen Schritt zum Ausbilden eines ersten Aktivbereichsschicht auf der Pufferschicht (oder direkt auf dem Substrat, wenn die Pufferschicht nicht verwendet wird) wieder, wobei die erste Aktivbereichsschicht eine oder mehrere elektrisch injizierte primäre Emissionsspezies (PES) in einer PES-Schicht umfasst.
  • Der Block 1204 gibt einen Schritt zum Ausbilden eines oder mehrerer photonischer Kristalle auf der ersten Aktivbereichschicht wieder. Vorzugsweise können die photonischen Kristalle eine oder mehrere Zwischenschichten umfassen, die an verschiedenen Positionen mit unterschiedlichen Ausrichtungen integriert sind, um eine Beugung in mehr als einer Richtung zu erzielen, d. h. über und unter der PES-Schicht oder der SES-Schicht. Außerdem kann können eine oder mehrere der Zwischenschichten strukturiert sein.
  • In dem resultierenden Aufbau extrahieren die photonischen Kristalle, die als Streuzentren oder Beugungsgitter dienen, durch die PES emittierte evaneszente WG-Modi, um die SES optisch zu pumpen, extrahieren die durch die SES emittierten WG-Modi und steuern die Ausrichtung oder Iotropie der Fernfeld-Emissionsmuster.
  • In einer Ausführungsform sind die photonischen Kristalle eindimensionale (1D) Beugungsgitter die eine Lichtextraktion in allen Richtungen nahe zu einer Richtung senkrecht zu den Gittern vorsehen. In einer anderen Ausführungsform sind die photonischen Kristalle periodische, quasiperiodische oder für die kurze Reichweite vorgesehene zweidimensionale (2D) Streuzentren oder Beugungsgitter, die eine omnidirektionale Lichtextraktion oder ausgerichtete Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen. In einer weiteren Ausführungsform sind die photonischen Kristalle zufällig strukturierte zweidimensionale (2D) Streubereiche, die eine omnidirektionale Lichtextraktion und isotropische Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen.
  • Die Parameter der photonischen Kristalle können derart gewählt werden, dass die Lichtextraktion nach oben oder unten optimiert wird. Weiterhin können die Parameter der photonischen Kristalle über die LED variieren.
  • Der Block 1206 gibt einen Schritt zum Ausbilden einer zweiten Aktivbereichsschicht auf den photonischen Kristallen an, wobei die zweite Aktivbereichsschicht eine oder mehrere optisch gepumpte sekundäre Emissionsspezies (SES) in einer SES-Schicht umfasst.
  • Der Block 1208 gibt einen Schritt zum (optionalen) Ausbilden von metallischen oder dielektrischen Spiegeln an dem Bauelement an. Die Spiegel können verwendet werden, um Teile des emittierten Lichts, die in unerwünschten Richtungen austreten, umzulenken. Die Spiegel können auch verwendet werden, um aus der PES oder SES emittiertes Licht zurückzuführen. Weiterhin können die Spiegel über oder untere der PES-Schicht oder der SES-Schicht angeordnet werden, um Mikrohohlräume zu bilden.
  • Der Block 1210 gibt einen Schritt zum (optionalen) Beschichten der SES-Schicht mit einer anderen Schicht für eine Luftisolation oder eine verbesserte Lichtextraktionseffizienz wieder.
  • Es ist zu beachten, dass in anderen Ausführungsformen die Reihenfolge der Schritte verändert sein kann oder verschiedene Schritte wiederholt werden können, um die photonischen Kristalle in Nachbarschaft zu dem ersten und zweiten aktiven Bereich vorzusehen, wobei dies auch nicht notwendigerweise zwischen dem ersten und dem zweiten aktiven Bereich geschehen muss.
  • In einer Ausführungsform werden der erste aktive Bereich, der zweite aktive Bereich und die photonischen Kristalle durch ein Substrat gehalten, wobei in anderen Ausführungsformen ein Schritt zum Entfernen des ersten aktiven Bereichs, des zweiten aktiven Bereichs und der photonischen Kristalle von dem Substrat vorgesehen sein kann, wobei dann der erste aktive Bereich, der zweite aktive Bereich und die photonischen Kristalle auf einem anderen Aufbau gehalten werden.
  • Abschließende Bemerkung
  • Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorstehende Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ist beispielhaft und erläuternd aufzufassen, wobei die Erfindung keineswegs auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Es können viele Modifikationen und Variationen auf der Grundlage der oben gegebenen Lehre vorgenommen werden. Der Erfindungsumfang wird nicht durch die Beschreibung eingeschränkt, sondern durch die folgenden Ansprüche definiert.
  • Zusammenfassung
  • Eine hocheffiziente LED umfasst ein Substrat, eine auf dem Substrat gewachsene Pufferschicht (wenn eine derartige Schicht erforderlich ist), einen ersten aktiven Bereich mit primären Emissionsspezies (PES), die elektrisch injiziert sind, einen zweiten aktiven Bereich mit sekundären Emissionsspezies (SES), die optisch gepumpt sind, und photonische Kristalle, wobei die photonischen Kristalle als Beugungsgitter dienen, um eine hohe Lichtextraktionseffizienz vorzusehen, um eine effiziente Erregung der SES vorzusehen und/oder um das Fernfeld-Emissionsmuster zu modulieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck und Steven P. DenBaars mit dem Titel „SINGLE OR MULTI-COLOR HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) BY GROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRATE" und dem Anwaltsaktenzeichen 30794.122-US-01 (2005-145-1) [0001]
    • - Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David und Steven P. DenBaars mit dem Titel „HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) WITH OPTIMIZED PHOTONIC CRYSTAL EXTRACTOR" und dem Anwaltsaktenzeichen 30794.126-US-1 (2005-198-1) [0001]
    • - C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck und Steven P. DenBaars mit dem Titel „HORIZONTAL EMITTING, VERTICAL EMITTING, BEAM SHAPED, DISTRIBUTED FEEDBACK (DFB) LASERS BY GROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRAT" und mit dem Anwaltsaktenzeichen 30794.121-US-01 (2005-144-1) [0001]
    • - Carole Schwach, Claude C. A. Weisbuch, Steven P. DenBaars, Henri Bénisty und Shuji Nakamura mit dem Titel „WHITE, SINGLE ODER MULTI-"OLOR LIGHT EMITTING DIODES BY RECYCLING GUIDED MODES" und dem Anwaltsaktenzeichen: 30794.115-US-01 (2004-064-1) [0001]
    • - Carole Schwach, Claude C. A. Weisbuch, Steven P. DenBaars, Henri Bénisty und Shuji Nakamura mit dem Titel „WHITE, SINGLE OR MULTI-COLOR LIGHT EMITTING DIODES BY RECYCLING GUIDED MODES" mit dem Anwalts-Aktenzeichen 30794.115-US-01 (2004-064-1) [0045]
    • - Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck und Steven P. DenBaars mit dem Titel „SINGLE ODER MULTI-COLOR HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) BY GROWTH OVER A PATTERNDED SUBSTRATE" mit dem Anwaltsaktenzeichen 30794.122-US-01 (2005-145-1) [0068]
    • - Claude C. A. Weibuch, Aurelien J. F. David und Steven P. DenBaars mit dem Titel „HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) WITH OPTIMIZED PHOTONIC CRYSTAL EXTRACTOR" mit dem Anwaltsaktenzeichen 30794.126-US-01 (2005-198-1) [0068]

Claims (30)

  1. Hocheffiziente LED, die umfasst: (a) ein Substrat, (b) einen ersten aktiven Bereich, der auf dem Substrat ausgebildet ist und eine oder mehrere elektrisch injizierte primäre Emissionsspezies (PES) enthält, (c) einen oder mehrere photonische Kristalle, die auf dem ersten Bereich ausgebildet sind, und (d) einen zweiten aktiven Bereich, der auf den photonischen Kristallen ausgebildet ist und eine oder mehrere optisch gepumpte sekundäre Emissionsspezies (SES) umfasst, (e) wobei die photonischen Kristalle durch die PES emittierte wellengeleitete Modi extrahieren, um die SES optisch zu pumpen.
  2. Hocheffiziente LED, die umfasst: (a) einen ersten aktiven Bereich, der eine oder mehrere elektrisch injizierte primäre Emissionsspezies (PES) in einer PES-Schicht enthält, (b) einen zweiten aktiven Bereich, der eine oder mehrere optisch gepumpte sekundäre Emissionsspezies (SES) in einer SES-Schicht enthält, und (c) einen oder mehrere photonische Kristalle, die in Nachbarschaft zu dem ersten und dem zweiten Bereich ausgebildet sind, wobei die photonischen Kristalle durch die PES und die SES emittierte wellengeleitete Modi (WG-Modi) extrahieren.
  3. LED nach Anspruch 2, wobei der erste aktive Bereich, der zweite aktive Bereich und die photonischen Kristalle durch ein Substrat oder einen anderen Aufbau gehalten werden.
  4. LED nach Anspruch 2, wobei die photonischen Kristalle, die als Streuzentren oder Beugungsgitter dienen, die durch die PES emittierten WG-Modi extrahieren, die durch die SES emittierten WG-Modi extrahieren und die Direktionalität oder Isotropie von Fernfeld-Emissionsmustern bestimmen.
  5. LED nach Anspruch 2, wobei eine oder mehrere Zwischenschichten über oder unter der PES-Schicht oder der SES-Schicht integriert sind.
  6. LED nach Anspruch 5, wobei eine oder mehrere der Zwischenschichten strukturiert sind.
  7. LED nach Anspruch 2, wobei die Parameter der photonischen Kristalle derart gewählt sind, dass die Lichtextraktion nach oben oder unten optimiert ist.
  8. LED nach Anspruch 7, wobei die Parameter der photonischen Kristalle über die LED variieren.
  9. LED nach Anspruch 2, wobei die photonischen Kristalle eindimensionale (1D) Beugungsgitter sind, die eine Lichtextraktion in allen Richtungen nahe einer Richtung senkrecht zu den Gittern vorsehen.
  10. LED nach Anspruch 2, wobei die photonischen Kristalle periodische, quasiperiodische oder für eine kurze Reichweite vorgesehene zweidimensionale (2D) Streuzentren oder Beugungsgitter sind, die eine omnidirekationale Lichtextraktion oder direktionale Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen.
  11. LED nach Anspruch 2, wobei die photonischen Kristalle zufällig strukturierte zweidimensionale (2D) Streubereiche sind, die eine omnidirektionale Lichtextraktion und isotropische Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen.
  12. LED nach Anspruch 2, die weiterhin metallische oder dielektrische Spiegel zum Umlenken von in unerwünschten Richtungen austretenden Teilen des emittierten Lichts umfasst.
  13. LED nach Anspruch 2, die weiterhin metallische oder dielektrische Spiegel umfasst, um aus der PES oder SES emittiertes Licht zurückzuführen.
  14. LED nach Anspruch 2, die weiterhin metallische oder dielektrische Spiegel über oder unter der PES-Schicht oder SES-Schicht umfasst, um Mikrohohlräume zu bilden.
  15. LED nach Anspruch 2, wobei die SES-Schicht mit einer anderen Schicht beschichtet ist, um eine Luftisolation oder eine verbesserte Lichtextraktionseffizienz vorzusehen.
  16. Verfahren zum Herstellen einer hocheffizienten LED, das umfasst: (a) Ausbilden eines ersten aktiven Bereichs, der eine oder mehrere elektrisch injizierte primäre Emissionsspezies (PES) in einer PES-Schicht enthält, (b) Ausbilden eines zweiten aktiven Bereichs, der eine oder mehrere optisch gepumpte sekundäre Emissionsspezies (SES) in einer SES-Schicht enthält, (c) Ausbilden von einem oder mehreren photonischen Kristallen in Nachbarschaft zu dem ersten und zweiten Bereich, wobei die photonischen Kristalle durch die PES und die SES emittierte wellgengeleitete Modi (WG-Modi) extrahieren.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der erste aktive Bereich, der zweite aktive Bereich und die photonischen Kristalle durch ein Substrat oder einen anderen Aufbau gehalten werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die photonischen Kristalle, die als Streuzentren oder Beugungsgitter dienen, die durch die PES emittierten WG-Modi extrahieren, die durch die SES emittierten WG-Modi extrahieren und die Direktionalität oder Isotropie von Fernfeld-Emissionsmustern bestimmen.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine oder mehrere Zwischenschichten über und unter der PES-Schicht oder der SES-Schicht integriert sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei eine oder mehrere der Zwischenschichten strukturiert sind.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Parameter der photonischen Kristalle derart gewählt sind, dass die Lichtextraktion nach oben oder unten optimiert ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Parameter der photonischen Kristalle über die LED variieren.
  23. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die photonischen Kristalle eindimensionale (1D) Beugungsgitter sind, die eine Lichtextraktion in allen Richtungen nahe einer Richtung senkrecht zu den Gittern vorsehen.
  24. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die photonischen Kristalle periodische, quasiperiodische oder für eine kurze Reichweite vorgesehene zweidimensionale (2D) Streuzentren oder Beugungsgitter sind, die eine omnidirektionale Lichtextraktion oder direktionale Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen.
  25. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die photonischen Kristalle zufällig strukturierte zweidimensionale (2D) Streubereiche sind, die eine omnidirektionale Lichtextraktion und isotropische Fernfeld-Emissionsmuster vorsehen.
  26. Verfahren nach Anspruch 16, das weiterhin das Ausbilden von metallischen oder dielektrischen Spiegeln zum Umlenken von in unerwünschten Richtungen austretenden Teilen des emittierten Lichts umfasst.
  27. Verfahren nach Anspruch 16, das weiterhin das Ausbilden von metallischen oder dielektrischen Spiegeln zum Zurückführen von Licht von der PES oder SES umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 16, das weiterhin das Ausbilden von metallischen oder dielektrischen Spiegeln über oder unter der PES-Schicht oder der SES-Schicht umfasst, um Mikrohohlräume zu bilden.
  29. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die SES-Schicht mit einer anderen Schicht beschichtet ist, um eine Luftisolation oder eine verbesserte Lichtextraktionseffizienz vorzusehen.
  30. Bauelement, das in Übereinstimmung mit dem Verfahren 16 hergestellt wird.
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