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Querverweis auf verwandte
Anmeldungen
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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.
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Stand der Technik
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1. Erfindungsfeld
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Die
Erfindung betrifft photonische Kristalle und LEDs, die aus Mehrfachwellenlängen-Lichtquellen
wie etwa Leuchtstoffen bestehen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Deshalb
besteht ein Bedarf dafür, die Eigenschaften von mehrfarbige
LEDs zu verbessern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen durchgehend
gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um entsprechende Teile anzugeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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7A und 7B zeigen
den Aufbau einer LED, während 7C und 7D Kurven
zu zwei winkelaufgelösten PL-Messungen der LED sind.
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8A und 8B sind
Kurven, die gemessene modale Dispersionsbeziehungen (reduzierte Frequenz
vs. reduzierter Ebenenwellenvektor) zeigen, die aus dem gemessenen
Winkelspektrum von 5C abgeleitet sind.
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9 zeigt
einen komplementären Bauelementaufbau, in dem mehrere Gitter
oder photonische Kristalle kombiniert sind, um verschiedene WG-Modi zu
extrahieren.
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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.
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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.
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12 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte zur Herstellung eines Bauelements
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
der Erfindung
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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.
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Übersicht
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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.
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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.
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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.
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Technische Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
-
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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]