WO2016015746A1 - Dbr-spiegel und optoelektronisches bauelement mit einem dbr-spiegel - Google Patents

Dbr-spiegel und optoelektronisches bauelement mit einem dbr-spiegel Download PDF

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WO2016015746A1
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dbr mirror
layers
layer stack
central wavelength
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PCT/EP2014/066183
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Julian IKONOMOV
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0816—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers
    • G02B5/0825—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers the reflecting layers comprising dielectric materials only
    • G02B5/0833—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers the reflecting layers comprising dielectric materials only comprising inorganic materials only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G02B5/285—Interference filters comprising deposited thin solid films

Definitions

  • the invention relates to a DBR mirror and a
  • Optoelectronic component with a DBR mirror Optoelectronic component with a DBR mirror.
  • dielectric material having a first refractive index ni and second layers comprising a second dielectric
  • the layer thicknesses of the first layers and second layers of the layer pairs are set in a DBR mirror such that the optical layer thickness n * d is equal to a quarter wavelength ⁇ / 4 of a central wavelength ⁇ at which the DBR mirror is
  • Layer thickness is understood here and below as the product of the thickness d and the refractive index n.
  • the maximum reflectivity at the central wavelength depends on the number of layer pairs and on the difference between the two refractive indices ni and ri2.
  • a high reflectivity is with a DBR mirror usually only in a wavelength range ⁇ to the
  • Wavelength range is also referred to as stopband.
  • the width of the stopband depends on the difference between the two refractive indices ni and ri2. For one
  • the width of the stop band of a conventional DBR mirror can not be extended. For some applications, however, there is a wider stopband
  • One solution may be to combine a DBR mirror with a metal mirror, with the metal mirror being positioned behind the DBR mirror as viewed from the direction of the incident light.
  • light is with
  • Wavelengths that are not reflected by the DBR mirror are at least partially reflected at the backside metal layer.
  • this embodiment has the disadvantage that, in the case of optoelectronic semiconductor chips, which are used in the
  • the DBR mirror comprises a first layer stack comprising a plurality of layer pairs
  • the layer pairs each have a first layer of a first material with a refractive index ni and a second layer of a second material with a refractive index ri2.
  • the refractive indices ni of the first material and ri2 of the second material are
  • the first one is different from each other.
  • the first one is different from each other.
  • the first one is different from each other.
  • the first layer stack thus has a periodic sequence of alternating first layers having a lower refractive index and second layers having a higher refractive index.
  • the DBR mirror advantageously has a second layer stack which has a plurality of layer pairs, the layer pairs each having a third layer of a third material with a refractive index n 3 and a fourth layer of a fourth material with a refractive index n 4 .
  • the refractive indices n 3 of the third material and n 4 of the fourth material are different from each other.
  • the third material may have a lower
  • Refractive index 113 in particular a refractive index n 3 ⁇ 1.6
  • the fourth material has a higher refractive index, in particular a refractive index n 4 > 1.6.
  • the second is also advantageous
  • the optical thickness ni * di of the first layers in the first layer stack is equal to a quarter wavelength ⁇ / 4 for a first
  • Central wavelength ⁇ , and the optical thickness n 2 * d 2 of the second layers in the first layer stack is equal to a quarter wavelength ⁇ 2/4 for a second
  • the first central wavelength ⁇ and the second central wavelength ⁇ 2 are different from each other.
  • the layer thickness di of the first layers and the layer thickness d 2 of the second layers are therefore for each other
  • the optical thickness n3 * d 3 of the third layer is equal to a quarter wavelength ⁇ 3 / for the third central wavelength ⁇ 3
  • the optical thickness n 4 * d 4 of the fourth layers is equal to a quarter wavelength ⁇ 4/4 for the fourth
  • Layer stack the layer thicknesses and the alternating third and fourth layers, which form the layer pairs optimized for mutually different central wavelengths.
  • Advantageous in the DBR mirror are the four
  • Layer thicknesses of the first and second layers in the first layer stack and third and fourth layers in the second layer stack are optimized, different from each other, can be particularly broad with the DBR mirror
  • the selection of the four central wavelengths is based on the stop band provided for the application of the DBR mirror.
  • Layers in the layer pairs can, for. B. by a
  • Central wavelengths ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 are varied as parameters in an iterative process in order to achieve the best possible match between the simulated reflection curve and the desired reflection curve.
  • the third material is the same as the first material.
  • the first material having the lower refractive index may be the same material as the third material having the lower refractive index in the second layer stack.
  • the fourth material is equal to the second material.
  • Refractive index in the first layer stack equal to the fourth higher refractive index material in the second layer stack
  • both the third material is equal to the first material and the fourth
  • the layer pairs in the first layer stack and the second layer stack are each formed from the same material pairing.
  • the DBR mirror in this embodiment advantageously contains only two different materials
  • the second and / or the fourth material is preferably a titanium oxide, an aluminum oxide or a niobium oxide, in particular T1O 2 , Al 2 O 3 or b 2 Ü 5 .
  • Titanium oxide is this material pairing in particular for
  • the total number of layers in the DBR mirror is advantageously not more than 40, preferably not more than 24. It has been found that in the optimization of the layer thicknesses of the individual layers described herein with respect to four different central wavelengths
  • a stop band with a predetermined width can be achieved with a smaller number of layers than with two stacked layer stacks in which the first and second layers of the first layer stack and the third and fourth layers of the second layer stack in terms of their Layer thickness are optimized in each case with respect to the same central wavelength.
  • a number of the layer pairs in the first layer stack is between
  • Layer stack can z. B. have six pairs of layers with a total of twelve individual layers. Furthermore, the number of layer pairs in the second layer stack is also
  • the second layer stack can have six layer pairs with a total of twelve individual layers.
  • the number of layer pairs in the first layer stack and the second layer stack is preferably the same. In this way, it is advantageously achieved that the first layer stack and the second layer stack are approximately equal to
  • the first layer stack and the second layer stack each have six pairs of layers, so that the total number of layers in the DBR mirror is 24.
  • the central wavelengths differ in each case
  • the central wavelengths differ in each case
  • the smallest of the central wavelengths and the largest of the central wavelengths each differ by at least 150 nm, preferably by at least 200 nm. In this way, advantageously a particularly wide stop band is achieved.
  • the central wavelengths are in the visible spectral range
  • the DBR mirror described here is particularly suitable for producing a stopband that extends approximately over the entire visible
  • Spectral range extends.
  • the proposed principle can also be used for DBR mirrors outside the visible spectral range, for example in the UV or IR spectral range.
  • the optoelectronic component can in particular be an LED.
  • the DBR mirror can be referred to as the back Reflector be provided in the optoelectronic device, wherein the DBR mirror on one of
  • Radiation exit surface opposite the back of the device is arranged.
  • radiation that is emitted toward the rear side of the component, for example in the direction of a substrate, is advantageously provided by the DBR mirror
  • the DBR mirror is particularly well suited for optoelectronic components which have a broad emission spectrum. This is the case in particular with LEDs. Particularly suitable is the DBR mirror for LEDs, which is a converter layer
  • white light can be generated in this way by means of a UV-light-emitting or blue-light emitting LED, by means of a part of the emitted radiation by means of the
  • Converter layer is converted into yellow light.
  • the DBR mirror is advantageously suitable for a LED with converter layer to reflect both the light emitted by the active layer and the converted light.
  • the DBR mirror is opto-electronic
  • the DBR mirror with broadband reflection has the advantage that it can preferably reflect the light of all emitted wavelengths.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a cross section through a DBR mirror according to FIG. 1
  • Figure 3 is a graphical representation of the reflection R in
  • Figure 4 is a schematic representation of a cross section through an optoelectronic device with a DBR mirror according to an embodiment.
  • the DBR mirror 10 shown schematically in cross section in FIG. 1 consists of a first layer stack 11 and a second layer stack 12 arranged thereon.
  • the DBR mirror 10 may, for example, be applied to a substrate 7, wherein the substrate 7 may be, for example, a substrate or a layer of an optoelectronic semiconductor component.
  • the first layer stack 11 consists of a plurality of layer pairs 5, wherein the layer pairs 5 are each formed from a first layer 1 and a second layer 2.
  • Layers 1 are made of a first material with a first material
  • ni and the second layers 2 are formed from a second material having a high refractive index ri2.
  • ni -S is 1.6 and ri2> 1.6.
  • the first layers 1 are S1O 2 layers and the second layers 2 are Ti0 2 layers.
  • the number of layer pairs 5 in the first layer stack 11 is advantageously between five and ten.
  • the first layer stack 11 has six pairs of layers 5.
  • the second layer stack 12 consists of several components
  • the third layers 3 have a low refractive index n 3 and the fourth layers 4 have a high refractive index n 4 .
  • n 3 is ⁇ 1.6 and n 4 > 1.6.
  • the number of layer pairs 6 in the second layer stack 12 is advantageously between five and ten.
  • the second layer stack 12 has six pairs of layers 6.
  • the layer stacks 11, 12 each have the same number of layer pairs 5, 6 in the exemplary embodiment. This has the advantage that the Reflectivity of the layer stack 11, 12 is approximately equal.
  • the material of the third layers 3 is equal to the material of the first layers 1.
  • the material of the fourth layers 4 is equal to the material of the second layers 2.
  • the second layer stack 12 consists of third layers 3 of SiO 2 and fourth layers 4 of TiO 2 .
  • the third layers 3 and / or the fourth layers 4 it would also be possible for the third layers 3 and / or the fourth layers 4 to be formed from materials other than the first ones
  • Layer stack 11 The use of the same material for the lower refractive index layers 1, 3 and the higher refractive index layers 2, 4 in the first layer stack 11 and the second layer stack 12 has the advantage that the DBR mirror 10 is only two various materials
  • Layers 3 and d4 of the fourth layers 4 are each optimized for a different central wavelength.
  • all four central wavelengths ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 are different from each other.
  • the central wavelengths advantageously differ in each case by at least 20 nm, preferably by at least 30 nm from each other.
  • the four central wavelengths ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 are in an iterative process, in particular by
  • Central wavelength by at least 150 nm and more preferably by at least 200 nm from each other. In this way, a particularly broad reflection maximum of the DBR mirror 10 can be achieved.
  • the DBR mirror 10 may in particular be provided to reflect light in the largest possible area of the visible spectral range. In this case, in particular all four central wavelengths ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 in the visible spectral range between 400 nm and 800 nm are included.
  • Figure 2 shows the reflection curve 21 of the DBR mirror according to the embodiment of Figure 1 in comparison to
  • Reflection curve 22 of a double DBR not according to the invention Mirror which has two stacked layer stack.
  • FIG. 3 shows the reflection curve 21 of the DBR mirror according to the exemplary embodiment of FIG. 1 in comparison to FIG
  • the double DBR mirror furthermore has a second layer stack with ten layer pairs of SiO 2 layers and TiO 2 layers, the layer thicknesses each being for a second layer
  • Embodiment wider than the reflection maximum of the comparative example not according to the invention which has a total of 40 layers.
  • FIG. 4 schematically shows an exemplary embodiment of an optoelectronic component 30 which contains a DBR mirror 10 according to one exemplary embodiment.
  • Optoelectronic component is an LED which, for example, has a first semiconductor region 31 of a first conductivity type, a second semiconductor region 33 of a second conductivity type and an active layer 32 arranged therebetween.
  • the semiconductor layer sequence 31, 32, 33 is in the
  • Embodiment arranged on a transparent substrate 34 which may be, for example, a sapphire substrate.
  • the DBR mirror 10 is z. B. between the connection layer 34 and the semiconductor layer stack 31, 32, 33 are arranged. Radiation, which is emitted in the active layer 33 in the direction of the substrate 34, is advantageously reflected by the DBR mirror 10 toward a radiation exit side 35.
  • the broad reflection maximum of the DBR mirror 10 is particularly advantageous when the active layer 32 emits radiation in a comparatively large spectral range. Unlike the one shown
  • DBR mirror 10 Emit radiation of different wavelengths.
  • the use of the DBR mirror 10 is not limited to use as a back mirror in an LED. Rather, the DBR mirror can be advantageously used in various optical or optoelectronic components in which a high reflection over a wide spectral range is desired.

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Abstract

Es wird ein DBR-Spiegel angeben, umfassend einen ersten Schichtstapel (11), der mehrere Schichtpaare (5) aufweist, wobei die Schichtpaare jeweils eine erste Schicht (1) aus eine ersten Material mit einem Brechungsindex n1 und eine zweite Schicht (2) aus einem zweiten Material mit einem Brechungsindex n2 aufweisen, und einen zweiten Schichtstapel (12), der mehrere Schichtpaare (6) aufweist, wobei die Schichtpaare jeweils eine dritte Schicht (3) aus ein drittem Material mit einem Brechungsindex n3 und eine vierte Schicht (4) aus einem vierten Material mit einem Brechungsindex n4 aufweisen. Die ersten Schichten (1) weisen jeweils eine Dicke di = λ1/ (4n1), die zweiten Schichten (2) jeweils eine Dicke d2 = λ2/ (4n2), die dritten Schichten (3) jeweils eine Dicke d3 = λ3/ (4n3) und die vierten Schichten (4) jeweils eine Dicke d4 = λ4/ (4n4) auf, wobei λ1, λ2, λ3 und λ4 voneinander verschiedene Zentralwellenlängen sind.

Description

Beschreibung
DBR-Spiegel und optoelektronisches Bauelement mit einem DBR- Spiegel
Die Erfindung betrifft einen DBR-Spiegel und ein
optoelektronisches Bauelement mit einem DBR-Spiegel.
DBR (Distributed Bragg Reflector) -Spiegel weisen im
Allgemeinen einen periodischen Schichtstapel aus
alternierenden ersten Schichten aus einem ersten
dielektrischen Material mit einem ersten Brechungsindex ni und zweiten Schichten aus einem zweiten dielektrischen
Material mit einem zweiten Brechungsindex ri2 auf. Der erste Brechungsindex ni und der zweite Brechungsindex ri2 weisen zur Erzielung einer möglichst hohen Reflexion vorteilhaft einen möglichst großen Unterschied auf. Die Schichtdicken der ersten Schichten und zweiten Schichten der Schichtpaare werden in einem DBR-Spiegel so eingestellt, dass die optische Schichtdicke n * d gleich einer Viertel-Wellenlänge λ/4 einer Zentralwellenlänge λ ist, bei der der DBR-Spiegel sein
Reflexionsmaximum aufweisen soll. Unter der optischen
Schichtdicke wird hier und im Folgenden das Produkt aus der Dicke d und dem Brechungsindex n verstanden.
Die maximale Reflektivität bei der Zentralwellenlänge hängt von der Anzahl der Schichtpaare und von dem Unterschied zwischen den beiden Brechungsindizes ni und ri2 ab. Eine hohe Reflektivität wird mit einem DBR-Spiegel in der Regel nur in einem Wellenlängenbereich Δλ um die
Zentralwellenlänge herum erzielt, wobei dieser
Wellenlängenbereich auch als Stoppband bezeichnet wird. Die Breite des Stoppbandes hängt von dem Unterschied zwischen den beiden Brechungsindizes ni und ri2 ab. Für eine
vorgegebene Materialkombination eines ersten Materials und eines zweiten Materials kann daher die Breite des Stoppbandes eines üblichen DBR-Spiegels nicht erweitert werden. Bei einigen Anwendungen ist aber ein breiteres Stoppband
erwünscht, als mit einem herkömmlichen DBR-Spiegel erzielt werden kann.
Eine Lösung kann darin bestehen, einen DBR-Spiegel mit einem Metallspiegel zu kombinieren, wobei der Metallspiegel aus der Richtung des einfallenden Lichts betrachtet hinter dem DBR- Spiegels angeordnet wird. In diesem Fall wird Licht mit
Wellenlängen, welches nicht von dem DBR-Spiegel reflektiert wird, zumindest teilweise an der rückseitigen Metallschicht reflektiert. Diese Ausgestaltung hat aber bei der Anwendung in einem optoelektronischen Halbeleiterchip den Nachteil, dass bei optoelektronischen Halbleiterchips, welche im
Waferverbund hergestellt werden, das Zertrennen des
Waferverbunds zu einzelnen Halbleiterchips, z. B. mittels eines Laserstrahls, erschwert wird.
Eine zu lösende Aufgabe besteht deshalb darin, einen
verbesserten DBR-Spiegel anzugeben, welcher sich durch eine hohe Reflektivität in einem großen Spektralbereich
aus zeichnet .
Diese Aufgabe wird durch einen DBR-Spiegel gemäß dem
unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der DBR-Spiegel einen ersten Schichtstapel, der mehrere Schichtpaare
aufweist, wobei die Schichtpaare jeweils eine erste Schicht aus einem ersten Material mit einem Brechungsindex ni und eine zweite Schicht aus einem zweiten Material mit einem Brechungsindex ri2 aufweisen. Die Brechungsindizes ni des ersten Materials und ri2 des zweiten Materials sind
voneinander verschieden. Beispielsweise weist das erste
Material einen niedrigeren Brechungsindex, insbesondere einen Brechungsindex ni -S 1,6, und das zweite Material einen höheren Brechungsindex, insbesondere einen Brechungsindex ri2 > 1,6, auf. Der erste Schichtstapel weist somit eine periodische Abfolge von alternierenden ersten Schichten mit einem niedrigeren Brechungsindex und zweiten Schichten mit einem höheren Brechungsindex auf.
Weiterhin weist der DBR-Spiegel vorteilhaft einen zweiten Schichtstapel auf, der mehrere Schichtpaare aufweist, wobei die Schichtpaare jeweils eine dritte Schicht aus einem dritten Material mit einem Brechungsindex n3 und eine vierte Schicht aus einem vierten Material mit einem Brechungsindex n4 aufweisen. Die Brechungsindizes n3 des dritten Materials und n4 des vierten Materials sind voneinander verschieden. Insbesondere kann das dritte Material einen niedrigeren
Brechungsindex 113, insbesondere einen Brechungsindex n3 < 1,6, und das vierte Material einen höheren Brechungsindex, insbesondere einen Brechungsindex n4 > 1,6, aufweisen. Wie der erste Schichtstapel ist vorteilhaft auch der zweite
Schichtstapel durch eine periodische Folge von alternierenden dritten Schichten mit niedrigerem Brechungsindex und vierten Schichten mit dem höheren Brechungsindex gebildet. Bei dem DBR-Spiegel weisen die ersten Schichten vorteilhaft jeweils eine Dicke di = Xi/ (4ni) auf, wobei λι eine erste Zentralwellenlänge ist, und die zweiten Schichten weisen jeweils eine Dicke d2 = λ2/ (4n2) auf, wobei λ2 eine zweite Zentralwellenlänge ist. Mit anderen Worten ist die optische Dicke ni * di der ersten Schichten in dem ersten Schichtstapel gleich einer Viertelwellenlänge λι/4 für eine erste
Zentralwellenlänge λι, und die optische Dicke n2 * d2 der zweiten Schichten in dem ersten Schichtstapel ist gleich einer Viertelwellenlänge λ2/4 für eine zweite
Zentralwellenlänge λ2. Die erste Zentralwellenlänge λι und die zweite Zentralwellenlänge λ2 sind voneinander verschieden. Die Schichtdicke di der ersten Schichten und die Schichtdicke d2 der zweiten Schichten sind also für voneinander
verschiedene Zentralwellenlängen optimiert.
In dem zweiten Schichtstapel weisen vorteilhaft die dritten Schichten jeweils eine Dicke d3 = Ä3/ (4n3) auf, wobei λ3 eine dritte Zentralwellenlänge ist, und die vierten Schichten weisen jeweils eine Dicke d4 = λ4/ (4n4) auf, wobei λ4 eine vierte Zentralwellenlänge ist. Anders ausgedrückt ist die optische Dicke n3 * d3 der dritten Schichten gleich einer Viertelwellenlänge λ3/ für die dritte Zentralwellenlänge Ä3, und die optische Dicke n4 * d4 der vierten Schichten ist gleich einer Viertelwellenlänge λ4/4 für die vierte
Zentralwellenlänge λ4. Die dritte und die vierte
Zentralwellenlänge sind voneinander verschieden. Wie in dem ersten Schichtstapel sind also auch in dem zweiten
Schichtstapel die Schichtdicken und der abwechselnden dritten und vierten Schichten, welche die Schichtpaare ausbilden, für voneinander verschiedene Zentralwellenlängen optimiert. Vorteilhaft sind bei dem DBR-Spiegel die vier
Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 voneinander verschieden. Dadurch, dass die Zentralwellenlängen, für die die
Schichtdicken der ersten und zweiten Schichten in dem ersten Schichtstapel und dritten und vierten Schichten in dem zweiten Schichtstapel optimiert sind, voneinander verschieden sind, kann mit dem DBR-Spiegel ein besonders breites
Reflexionsmaximum, also ein breites Stoppband, erzielt werden .
Die Auswahl der vier Zentralwellenlängen erfolgt anhand des für die Anwendung des DBR-Spiegels vorgesehenen Stoppbandes. Die vier Zentralwellenlängen und die daraus resultierenden Schichtdicken der ersten, zweiten, dritten und vierten
Schichten in den Schichtpaaren können z. B. durch eine
Computersimulation bestimmt werden. Bei der
Computersimulation werden z. B. die Materialien und die
Anzahl der Schichtpaare in dem ersten Schichtstapel und dem zweiten Schichtstapel fest vorgegeben, wobei die vier
Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 als Parameter in einem iterativen Verfahren variiert werden, um eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen der simulierten Reflexionskurve und der gewünschten Reflexionskurve zu erzielen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des DBR-Spiegels ist das dritte Material gleich dem ersten Material. Insbesondere kann in dem ersten Schichtstapel das erste Material mit dem niedrigeren Brechungsindex das gleiche Material wie das dritte Material mit dem niedrigeren Brechungsindex in dem zweiten Schichtstapel sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist bei dem DBR-Spiegel das vierte Material gleich dem zweiten Material. Insbesondere kann das zweite Material mit dem höheren
Brechungsindex in dem ersten Schichtstapel gleich dem vierten Material mit dem höheren Brechungsindex in dem zweiten
Schichtstapel sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist sowohl das dritte Material gleich dem ersten Material als auch das vierte
Material gleich dem zweiten Material. In diesem Fall sind die Schichtpaare in dem ersten Schichtstapel und dem zweiten Schichtstapel jeweils aus der gleichen Materialpaarung gebildet. Insbesondere enthält der DBR-Spiegel bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft nur zwei verschiedene
Schichtmaterialien, wodurch die Herstellung vorteilhaft vereinfacht wird. Bei dieser Ausgestaltung gilt für die
Brechungsindizes ni = n3 und ri2 = n4, sofern geringfügige Unterschiede zwischen den Brechungsindizes des gleichen
Materials bei den verschiedenen Zentralwellenlängen aufgrund der Dispersion vernachlässigbar klein sind. Gemäß zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste Material ein Siliziumoxid, insbesondere Si02- Siliziumoxid weist einen niedrigen Brechungsindex auf, der etwa ni = 1,5 beträgt. Das zweite und/oder das vierte Material ist vorzugsweise ein Titanoxid, ein Aluminiumoxid oder ein Nioboxid, insbesondere T1O2, AI2O3 oder b2Ü5. Titanoxid weist vorteilhaft einen vergleichsweise hohen Brechungsindex auf, der etwa n2 = 2,5 beträgt. Aufgrund des vergleichsweise großen
Brechungsindexunterschieds zwischen Siliziumoxid und
Titanoxid ist diese Materialpaarung insbesondere zur
Erzielung einer hohen Reflexion im sichtbaren Spektralbereich geeignet . Die Gesamtzahl der Schichten in dem DBR-Spiegel beträgt vorteilhaft nicht mehr als 40, bevorzugt nicht mehr als 24. Es hat sich herausgestellt, dass bei der hierin beschriebenen Optimierung der Schichtdicken der Einzelschichten in Bezug auf vier verschiedene Zentralwellenlängen mit einer
vergleichsweise geringen Gesamtzahl von Schichten eine hohe Reflexion über einen vergleichsweise breiten Spektralbereich erzielt werden kann. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass ein Stoppband mit einer vorgegebenen Breite mit einer geringeren Anzahl von Schichten erreicht werden kann, als mit zwei übereinander angeordneten Schichtstapeln, bei denen die ersten und zweiten Schichten des ersten Schichtstapels und die dritten und vierten Schichten des zweiten Schichtstapels hinsichtlich ihrer Schichtdicke jeweils in Bezug auf die gleiche Zentralwellenlänge optimiert sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt eine Anzahl der Schichtpaare in dem ersten Schichtstapel zwischen
einschließlich fünf und einschließlich zehn. Der erste
Schichtstapel kann z. B. sechs Schichtpaare mit insgesamt zwölf Einzelschichten aufweisen. Weiterhin beträgt auch die Anzahl der Schichtpaare in dem zweiten Schichtstapel
vorzugsweise zwischen einschließlich fünf und einschließlich zehn. Beispielsweise kann der zweite Schichtstapel sechs Schichtpaare mit insgesamt zwölf Einzelschichten aufweisen.
Die Anzahl der Schichtpaare in dem ersten Schichtstapel und dem zweiten Schichtstapel ist vorzugsweise gleich. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass der erste Schichtstapel und der zweite Schichtstapel in etwa gleich zur
Gesamtreflexion des DBR-Spiegels beitragen. Beispielsweise können der erste Schichtstapel und der zweite Schichtstapel jeweils sechs Schichtpaare aufweisen, sodass die Gesamtzahl der Schichten in dem DBR-Spiegel 24 beträgt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des DBR-Spiegels
unterscheiden sich die Zentralwellenlängen jeweils um
mindestens 20 nm voneinander. Besonders bevorzugt
unterscheiden sich die Zentralwellenlängen jeweils um
mindestens 30 nm voneinander. Auf diese Weise kann
vorteilhaft ein besonders breites Reflexionsmaximum erzielt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich die kleinste der Zentralwellenlängen und die größte der Zentralwellenlängen jeweils um mindestens 150 nm, bevorzugt um mindestens 200 nm, voneinander unterscheiden. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein besonders breites Stoppband erzielt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des DBR-Spiegels sind die Zentralwellenlängen im sichtbaren Spektralbereich
zwischen 400 nm und 800 nm enthalten. Der hier beschriebene DBR-Spiegel ist insbesondere dazu geeignet, ein Stoppband zu erzeugen, das sich in etwa über den gesamten sichtbaren
Spektralbereich erstreckt. Alternativ kann das vorgeschlagene Prinzip aber auch für DBR-Spiegel außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, zum Beispiel im UV- oder IR- Spektralbereich, angewendet werden.
Es wird weiterhin ein optoelektronisches Bauelement
angegeben, das einen DBR-Spiegel gemäß den zuvor
beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen aufweist.
Das optoelektronische Bauelement kann insbesondere eine LED sein. Der DBR-Spiegel kann insbesondere als rückseitiger Reflektor in dem optoelektronischen Bauelement vorgesehen sein, wobei der DBR-Spiegel an einer der
Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Rückseite des Bauelements angeordnet ist. In diesem Fall wird vorteilhaft Strahlung, die in Richtung der Rückseite des Bauelements, beispielsweise in Richtung eines Substrats, emittiert wird, vorteilhaft durch den DBR-Spiegel zur
Strahlungsaustrittsfläche hin reflektiert. Aufgrund des vergleichsweise breiten Stoppbands ist der DBR- Spiegel besonders gut für optoelektronische Bauelemente geeignet, die ein breites Emissionsspektrum aufweisen. Dies ist insbesondere bei LEDs der Fall. Besonders geeignet ist der DBR-Spiegel für LEDs, die eine Konverterschicht
aufweisen, um zumindest einen Teil des emittierten Lichts in Licht einer größeren Wellenlänge zu konvertieren.
Beispielsweise kann auf diese Weise mittels einer UV-Licht oder blaues Licht emittierenden LED Weißlicht erzeugt werden, indem ein Teil der emittierten Strahlung mittels der
Konverterschicht in gelbes Licht umgewandelt wird. Der DBR- Spiegel ist bei einer LED mit Konverterschicht vorteilhaft dazu geeignet, sowohl das von der aktiven Schicht emittierte Licht als auch das konvertierte Licht zu reflektieren.
Weiterhin ist der DBR-Spiegel für optoelektronische
Bauelemente geeignet, bei denen mehrere aktive Zonen, die verschiedene Emissionswellenlängen aufweisen, in einem
Schichtstapel übereinander angeordnet sind. In diesem Fall hat der breitbandig reflektierende DBR-Spiegel den Vorteil, dass er vorzugsweise das Licht aller emittierten Wellenlängen reflektieren kann. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren
näher erläutert. Es zeigen: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen DBR-Spiegel gemäß einem
Ausführungsbeispiel , eine grafische Darstellung der Reflexion R in
Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für den DBR- Spiegel gemäß dem Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einem Doppel-DBR-Spiegel mit gleicher Anzahl von Schichten,
Figur 3 eine grafische Darstellung der Reflexion R in
Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für den DBR- Spiegel gemäß dem Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einem Doppel-DBR-Spiegel mit 40 Schichten, und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement mit einem DBR-Spiegel gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Der in Figur 1 schematisch im Querschnitt dargestellte DBR- Spiegel 10 besteht aus einem ersten Schichtstapel 11 und einem darauf angeordneten zweiten Schichtstapel 12. Der DBR- Spiegel 10 kann zum Beispiel auf eine Unterlage 7 aufgebracht sein, wobei die Unterlage 7 zum Beispiel ein Substrat oder eine Schicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements sein kann.
Der erste Schichtstapel 11 besteht aus mehreren Schichtpaaren 5, wobei die Schichtpaare 5 jeweils aus einer ersten Schicht 1 und einer zweiten Schicht 2 gebildet sind. Die ersten
Schichten 1 sind aus einem ersten Material mit einem
niedrigen Brechungsindex ni und die zweiten Schichten 2 aus einem zweiten Material mit einem hohen Brechungsindex ri2 gebildet. Vorzugsweise ist ni -S 1,6 und ri2 > 1,6. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die ersten Schichten 1 S1O2- Schichten und die zweiten Schichten 2 Ti02~Schichten . Die Anzahl der Schichtpaare 5 in dem ersten Schichtstapel 11 beträgt vorteilhaft zwischen fünf und zehn. Bei dem
Ausführungsbeispiel weist der erste Schichtstapel 11 sechs Schichtpaare 5 auf.
Der zweite Schichtstapel 12 besteht aus mehreren
Schichtpaaren 6, die jeweils aus einer dritten Schicht 3 aus einem dritten Material und einer vierten Schicht 4 aus einem vierten Material bestehen. Die dritten Schichten 3 weisen einen niedrigen Brechungsindex n3 und die vierten Schichten 4 einen hohen Brechungsindex n4 auf. Vorzugsweise ist n3 < 1,6 und n4 > 1,6. Die Anzahl der Schichtpaare 6 in dem zweiten Schichtstapel 12 beträgt vorteilhaft zwischen fünf und zehn. Bei dem Ausführungsbeispiel weist der zweite Schichtstapel 12 sechs Schichtpaare 6 auf. Somit weisen die Schichtstapel 11, 12 bei dem Ausführungsbeispiel jeweils die gleiche Anzahl von Schichtpaaren 5, 6 auf. Dies hat den Vorteil, dass die Reflektivität der Schichtstapel 11, 12 in etwa gleich groß ist .
Bei dem Ausführungsbeispiel ist das Material der dritten Schichten 3 gleich dem Material der ersten Schichten 1.
Weiterhin ist das Material der vierten Schichten 4 gleich dem Material der zweiten Schichten 2. Somit besteht der zweite Schichtstapel 12 aus dritten Schichten 3 aus Si02 und vierten Schichten 4 aus Ti02. Alternativ wäre es aber auch möglich, dass die dritten Schichten 3 und/oder die vierten Schichten 4 aus anderen Materialien gebildet sind als die ersten
Schichten 1 und die zweiten Schichten 2 des ersten
Schichtstapels 11. Die Verwendung des gleichen Materials für die Schichten 1, 3 mit dem niedrigeren Brechungsindex und die Schichten 2, 4 mit dem höheren Brechungsindex in dem ersten Schichtstapel 11 und dem zweiten Schichtstapel 12 hat den Vorteil, dass der DBR-Spiegel 10 nur zwei verschiedene
Materialien aufweist und deshalb vergleichsweise einfach herstellbar ist.
Bei dem DBR-Spiegel 10 sind die Schichtdicken di der ersten Schichten 1, d2 der zweiten Schichten 2, d3 der dritten
Schichten 3 und d4 der vierten Schichten 4 jeweils für eine andere Zentralwellenlänge optimiert. Die ersten Schichten 1 weisen eine Dicke di = Xi/ (4ni) auf, wobei λι = 597, 6 nm die erste Zentralwellenlänge ist. Die zweiten Schichten 2 weisen eine Dicke d2 = λ2/ (4n2) auf, wobei λ2 = 627, 2 nm die zweite Zentralwellenlänge ist. In dem ersten Schichtstapel 11 sind also die ersten Schichten 1 und die zweiten Schichten 2 nicht für dieselbe, sondern für verschiedene Zentralwellenlängen λι, λ2 optimiert. Die Dicken der ersten Schichten 1 betragen di = 102,7 nm. Die Dicken der zweiten Schichten 2 betragen d2 = 68,0 nm. Die dritten Schichten 3 weisen jeweils eine Dicke d3 =
Ä3/ (4n3) auf, wobei λ3 = 519,2 nm die dritte
Zentralwellenlänge ist. Die vierten Schichten 4 weisen jeweils eine Dicke d4 = λ4/ (4n4) auf, wobei λ4 = 425, 5 nm die vierte Zentralwellenlänge ist. Die Dicken der dritten
Schichten 3 betragen d3 = 89,1 nm. Die Dicken der vierten Schichten 4 betragen d4 = 42,4 nm. Innerhalb des zweiten Schichtstapels 12 sind somit die
Schichtdicken der dritten Schichten 3 und der vierten
Schichten 4 für verschiedene Zentralwellenlängen Ä3, λ4 optimiert. Insbesondere sind in dem DBR-Spiegel alle vier Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 voneinander verschieden. Die Zentralwellenlängen unterscheiden sich vorteilhaft jeweils um mindestens 20 nm, bevorzugt um mindestens 30 nm voneinander. Die vier Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 werden in einem iterativen Prozess, insbesondere durch
Simulationsrechnungen, bestimmt. Vorzugsweise unterscheiden sich die kleinste Zentralwellenlänge und die größte
Zentralwellenlänge um mindestens 150 nm und besonders bevorzugt um mindestens 200 nm voneinander. Auf diese Weise lässt sich ein besonders breites Reflexionsmaximum des DBR- Spiegels 10 erzielen. Der DBR-Spiegel 10 kann insbesondere dazu vorgesehen sein, Licht in einem möglichst großen Bereich des sichtbaren Spektralbereichs zu reflektieren. In diesem Fall sind insbesondere alle vier Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 im sichtbaren Spektralbereich zwischen 400 nm und 800 nm enthalten.
Figur 2 zeigt die Reflexionskurve 21 des DBR-Spiegels gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 im Vergleich zur
Reflexionskurve 22 eines nicht erfindungsgemäßen Doppel-DBR- Spiegels, der zwei übereinander angeordnete Schichtstapel aufweist. Bei dem nicht erfindungsgemäßen Doppel-DBR-Spiegel sind die ersten und zweiten Schichten des ersten
Schichtstapels auf die gleiche Zentralwellenlänge 485 nm und die dritten und vierten Schichten des zweiten Schichtstapels auf die gleiche Zentralwellenlänge 600 nm optimiert. Beide DBR-Spiegel weisen eine Anzahl von 24 Schichten auf. Der Vergleich der Reflexionskurven 21, 22 zeigt, dass der DBR- Spiegel gemäß dem Ausführungsbeispiel ein breiteres
Reflexionsmaximum als der Doppel-DBR-Spiegel aufweist.
Figur 3 zeigt die Reflexionskurve 21 des DBR-Spiegels gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 im Vergleich zur
Reflexionskurve 23 eines nicht erfindungsgemäßen Doppel-DBR- Spiegels, wobei der Doppel-DBR-Spiegel einen ersten
Schichtstapel mit zehn Schichtpaaren aus Si02-Schichten und Ti02-Schichten aufweist, deren Schichtdicken für die gleiche Zentralwellenlänge 485 nm optimiert sind. Der Doppel-DBR- Spiegel weist weiterhin einen zweiten Schichtstapel mit zehn Schichtpaaren aus Si02-Schichten und Ti02-Schichten auf, wobei die Schichtdicken jeweils für eine zweite
Zentralwellenlänge von 600 nm optimiert sind. Trotz der geringeren Schichtzahl von nur 24 Schichten ist das
Reflexionsmaximum des DBR-Spiegels gemäß dem
Ausführungsbeispiel breiter als das Reflexionsmaximum des nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiels, das insgesamt 40 Schichten aufweist.
Figur 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 30, das einen DBR-Spiegel 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält. Das
optoelektronische Bauelement ist eine LED, die beispielsweise einen ersten Halbleiterbereich 31 eines ersten Leitungstyps, einen zweiten Halbleiterbereich 33 eines zweiten Leitungstyps und eine dazwischen angeordnete aktive Schicht 32 aufweist.
Die Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 ist bei dem
Ausführungsbeispiel auf einem transparenten Substrat 34 angeordnet, das zum Beispiel ein Saphirsubstrat sein kann. Der DBR-Spiegel 10 ist z. B. zwischen der Verbindungsschicht 34 und dem Halbleiterschichtenstapel 31, 32, 33 angeordnet. Durch den DBR-Spiegel 10 wird vorteilhaft Strahlung, welche in der aktiven Schicht 33 in Richtung des Substrats 34 emittiert wird, zu einer Strahlungsaustrittsseite 35 hin reflektiert. Das breite Reflexionsmaximum des DBR-Spiegels 10 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die aktive Schicht 32 Strahlung in einem vergleichsweise großen Spektralbereich emittiert. Anders als bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel kann die Halbleiterschichtenfolge
insbesondere mehrere aktive Schichten aufweisen, die
Strahlung verschiedener Wellenlängen emittieren. Der Einsatz des DBR-Spiegels 10 ist nicht auf den Einsatz als rückseitiger Spiegel in einer LED beschränkt. Vielmehr kann der DBR-Spiegel vorteilhaft in verschiedenen optischen oder optoelektronischen Bauteilen eingesetzt werden, bei denen eine hohe Reflexion über einen breiten Spektralbereich erwünscht ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. DBR-Spiegel, umfassend:
- einen ersten Schichtstapel (11), der mehrere
Schichtpaare (5) aufweist, wobei die Schichtpaare jeweils eine erste Schicht (1) aus eine ersten Material mit einem Brechungsindex ni und eine zweite Schicht (2) aus einem zweiten Material mit einem Brechungsindex n2 aufweisen und
- einen zweiten Schichtstapel (12), der mehrere
Schichtpaare (6) aufweist, wobei die Schichtpaare jeweils eine dritte Schicht (3) aus ein drittem Material mit einem Brechungsindex n3 und eine vierte Schicht (4) aus einem vierten Material mit einem Brechungsindex n4 aufweisen,
wobei
- die ersten Schichten (1) jeweils eine Dicke di =
Xi/ (4ni) aufweisen, wobei λι eine erste
Zentralwellenlänge ist,
- die zweiten Schichten (2) jeweils eine Dicke d2 = λ2/ (4n2) aufweisen, wobei λ2 eine zweite
Zentralwellenlänge ist,
- die dritten Schichten (3) jeweils eine Dicke d3 = Ä3/ (4n3) aufweisen, wobei λ3 eine dritte
Zentralwellenlänge ist,
- die vierten Schichten (4) jeweils eine Dicke d4 = λ4/ (4n4) aufweisen, wobei λ4 eine vierte
Zentralwellenlänge ist, und
- die vier Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4
voneinander verschieden sind.
2. DBR-Spiegel nach Anspruch 1,
wobei das dritte Material gleich dem ersten Material ist .
3. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das vierte Material gleich dem zweiten Material ist .
4. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material und/oder das dritte Material Siliziumoxid ist.
5. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite und/oder das vierte Material Titanoxid, Aluminiumoxid oder Nioboxid ist.
6. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Gesamtzahl der Schichten (1, 2, 3, 4) nicht mehr als 40 beträgt.
7. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Schichtpaare (5) in dem ersten
Schichtstapel (11) und/oder die Anzahl der Schichtpaare (6) in dem zweiten Schichtstapel (12) zwischen 5 und 10 beträgt .
8. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Schichtpaare (5) in dem ersten Schichtstapel (11) gleich der Anzahl der Schichtpaare (6) in dem zweiten Schichtstapel (12) gleich ist.
9. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4
jeweils um mindestens 20 nm voneinander unterscheiden.
10. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 jeweils um mindestens 30 nm voneinander unterscheiden.
11. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei sich die kleinste der Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 und die größte der Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 um mindestens 150 nm voneinander unterscheiden.
12. DBR-Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Zentralwellenlängen λι, λ2, λ3 und λ4 im
sichtbaren Spektralbereich zwischen 400 nm und 800 nm enthalten sind.
13. Optoelektronisches Bauelement, umfassend einen DBR- Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 14,
wobei das optoelektronische Bauelement eine LED ist.
15. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 14 oder 15, wobei der DBR-Spiegel an einer Rückseite des
optoelektronischen Bauelements angeordnet ist, wobei die Rückseite einer Strahlungsaustrittsfläche
gegenüberliegt .
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Citations (4)

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