Die Erfindung betrifft eine Lichtemittervorrichtung, umfassend einen photonischen Kristall mit einer Vielzahl von Säulen- und/oder wandförmigen Halbleiterelementen (nanostruktu- rierte Halbleiterelemente, insbesondere Nanodrähte und/oder Nanowände) , insbesondere eine Oberflächenemittervorrichtung, und Verfahren zu deren Betrieb und zu deren Herstellung. Anwendungen der Erfindung sind bei der Erzeugung von kohärentem Licht (Laserlicht) oder Einzelphotonenemission, insbesondere in der Optoelektronik gegeben.

Es ist allgemein bekannt, lichtemittierende Bauelemente aus nanostrukturierten Halbleiterelementen herzustellen, die charakteristische Dimensionen im Sub-Mikrometerbereich aufweisen (siehe z.B. DE 10 2011 118 273 AI und darin zitierte Publika ^¬ tionen) . Durch selektives Ätzen planarer Halbleiter ("Top- down"-Verfahren) oder durch epitaktisches Wachstum nanostruk- turierter Halbleiterelemente auf einem Substrat ( "Bottom-up"- Verfahren) können z.B. säulenförmige Halbleiterelemente (Na- nodrähte, Nanosäulen, engl.: nanowire) oder wandförmige Halb ^¬ leiterelemente (Nanowände, Nanoplatten, Nanoscheiben, engl.: nanowall) auf dem Substrat gebildet werden.

Von Interesse sind insbesondere Halbleiterelemente mit Hete- rostrukturen aus Mischhalbleitern, basierend auf Nitriden, Arseniden und Phosphiden von Atomen der III. Hauptgruppe (Hauptgruppe-I I I -Nitrid-Halbleiter , Hauptgruppe-I I I -Arsenid- Halbleiter und Hauptgruppe-III-Phosphid-Halbleiter) , da diese Bandlücken entsprechend Wellenlängen vom nahen Infrarot bis Ultraviolett aufweisen.

Nanostrukturierte Halbleiterelemente z.B. aus Hauptgruppe- III-Nitrid-Halbleitern haben den besonderen Vorteil, dass Beschränkungen in der Planartechnik aufgrund der Gitterfehlanpassung in Bezug auf Si-Substrate überwunden werden können. Eine rein elastische Spannungsrelaxation erfordert zwar geringe Durchmesser der Halbleiterelemente im Bereich von

10 nm. Aber auch bei größeren Werten, z. B. bis zu einigen hundert Nanometer, ist die Gitterfehlanpassung unkritisch, da auftretende Versetzungslinien auf den Bereich der Grenzfläche beschränkt bleiben oder zu den Seitenwänden der Halbleiterelemente abknicken. Basisflächen der nanostrukturierten Halbleiterelemente mit typischen Dimensionen kleiner als ei ^¬ nige hundert Nanometer erlauben daher die Züchtung z.B. von Hauptgruppe-III-Nitrid-Halbleitern auf Si-Substraten in besserer Kristallqualität. In US 2014/0286367 AI (siehe auch A. C. Scofield et al . in

"Nanoletters " (2011, 11, 5387-5390)) wird ein Laserresonator mit einem photonischen Kristall aus GaAs/ ( In, Ga) As/GaAs- basierten Nanodrähten auf einem GaAs-Substrat beschrieben. Die Nanodrähte werden mittels metall-organischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf dem Substrat periodisch angeordnet. Die Periodizität der Nanodrähte in einem zentralen Bereich (Kavität) ist so gewählt, dass die Nanodrähte ein La ^¬ ser-aktives Medium (Verstärkungsmedium) bilden. Des Weiteren ist die Periodizität in einem den zentralen Bereich umgeben- den, äußeren Bereich so gewählt, dass die Ausdehnung des

Lichtfeldes auf die Kavität beschränkt wird. Der photonische Kristall bildet einen Resonator. Bei optischer Anregung des Verstärkungsmediums erfolgt eine optische Emission der Nano ^¬ drähte, die sich im Resonator bis hin zu einer stimulierten Emission (Laser-Betrieb) verstärkt. Ein weiterer, zur Erzeu ^¬ gung von Laserlicht ausgelegter photonischer Kristall ist in US 2014/0219306 AI beschrieben. Obwohl mit dem z. B. in US 2014/0286367 AI beschriebenen photonischen Kristall der Laser-Betrieb erreicht wurde, ist die ^¬ se herkömmliche Technik aufgrund der folgenden Beschränkungen in der Praxis, insbesondere in der Si-basierten Optoelektro ^¬ nik nicht anwendbar. Erstens wird lediglich ein lateral ge- schlossener Resonator beschrieben, aus dem Laserlicht nur in einen relativ großen Winkelbereich im Halbraum über dem photonischen Kristall abgestrahlt wird. Eine Maßnahme zur Über ^¬ tragung (Kopplung) des erzeugten Laserlichts zu einer optoelektronischen Anwendung wird jedoch nicht beschrieben. Des Weiteren wurde als praktisches Beispiel nur ein optisch ange ^¬ regter photonischer Kristall auf einem GaAs-Substrat reali ^¬ siert. Wie der Resonator auf einem für die meisten Anwendungen wichtigen Si-Substrat aufgebaut werden und wie eine elektrische Anregung des Laserlichts praktisch erfolgen könn- ten, wird in US 2014/0286367 AI nicht beschrieben.

Aus US 2014/0226691 AI ist ein miniaturisierter Laser mit ei ^¬ nem photonischen Kristall auf einem Si-Substrat bekannt, der durch Löcher in einem kompakten Halbleitermaterial gebildet ist ( "top-down"-Verfahren) . Dieser Laser hat den Nachteil, nicht monolithisch aufgebaut zu sein. Das emittierende Halb ^¬ leitermaterial muss mit einem Waferbonding-Prozess mit dem Si-Substrat verbunden werden. Hieraus ergeben sich Nachteile in Bezug auf Wärmedissipation und/oder die Reproduzierbarkeit der Herstellung.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Lichtemit ^¬ tervorrichtung, umfassend einen photonischen Kristall mit einer Vielzahl nanostrukturierter Halbleiterelemente, bereitzu- stellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken überwunden werden. Die Lichtemittervorrichtung soll sich insbesondere durch eine erhöhte Wirksamkeit der Übertragung des erzeugten Lichts in benachbarte optische Bauelemente, z.B. Detektorele ^¬ mente und/oder Wellenleiter, eine vereinfachte nicht-optische Anregbarkeit der Lichtemission, und/oder eine verbesserte In- tegrierbarkeit in Si-basierte Halbleitervorrichtungen, insbe ^¬ sondere Si-basierte Optoelektronik, auszeichnen. Die Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, verbesserte Verfahren zum Betrieb bzw. zur Herstellung einer derartigen Lichtemittervorrichtung bereitzustellen, mit denen Nachteile herkömmlicher Verfahren zum Betrieb und zur Herstellung von Lichtemittern vermieden werden. Diese Aufgaben werden durch die Lichtemittervorrichtung und die Verfahren zu deren Betrieb und deren Herstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Lichtemittervor ^¬ richtung gelöst, die einen photonischen Kristall aus nano- strukturierten Halbleiterelementen, insbesondere säulen- und/oder wandförmigen Halbleiterelementen, umfasst. Die Halbleiterelemente sind auf einem Substrat, vorzugsweise senk ^¬ recht stehend, periodisch angeordnet, d.h. die Basisflächen der Halbleiterelemente bilden auf dem Substrat ein periodi ^¬ sches, ein- oder zweidimensionales, Gitter. Der photonische Kristall bildet einen Resonator und weist einen ersten Re ^¬ sonatorabschnitt (oder: Kavitätsabschnitt) , einen zweiten Re ^¬ sonatorabschnitt und einen dritten Resonatorabschnitt auf. Die Halbleiterelemente im ersten Resonatorabschnitt bilden das aktive, Licht emittierende Medium. Gemäß einer bevorzug ^¬ ten Variante der Erfindung ist die Lichtemittervorrichtung für die Emission von kohärentem Licht ausgelegt. In diesem Fall bildet der erste Resonatorabschnitt ein Verstärkungsme ^¬ dium. Gemäß einer alternativen Variante der Erfindung ist die Lichtemittervorrichtung als Einzelphotonen-Emitter ausgelegt. In diesem Fall ist der photonische Kristall dafür ausgelegt, die Emissionsrate sowie die Extraktionseffizienz für im ers- ten Resonatorabschnitt emittierte Einzelphotonen zu erhöhen.

In Abhängigkeit von der Ausdehnung des ersten Resonatorab ^¬ schnitts entlang der Substratoberfläche wird das Lichtfeld, das sich im ersten Resonatorabschnitt ausbreitet, strahlenop- tisch oder wellenoptisch beschrieben. Wenn der erste Resonatorabschnitt ausreichend groß für eine strahlenoptische Darstellung des Lichtfeldes ist, werden die zweiten und drit ^¬ ten Resonatorabschnitte auch als Reflektorabschnitte (oder: Spiegelabschnitte) bezeichnet. Andernfalls, wenn die Ausdeh- nung des ersten Resonatorabschnitts eine wellenoptische Dar ^¬ stellung des Lichtfeldes erfordert, werden die zweiten und dritten Resonatorabschnitte auch als Confinementabschnitte bezeichnet . Der zweite Resonatorabschnitt ist mindestens an einer ersten Seite des ersten Resonatorabschnitts und der dritte Re ^¬ sonatorabschnitt ist an einer zweiten, von der ersten Seite abweichenden, vorzugsweise entgegengesetzten Seite des ersten Resonatorabschnitts, vorzugsweise an den ersten Resonatorab- schnitt unmittelbar angrenzend, angeordnet.

Die Halbleiterelemente im ersten Resonatorabschnitt sind mit einer ersten Periode (erster Abstand, Emitter-Periode) ange ^¬ ordnet, während die Halbleiterelemente in den zweiten und dritten Resonatorabschnitten jeweils mit einer zweiten bzw. einer dritten Periode (zweiter bzw. dritter Abstand) angeordnet sind, die von der ersten Periode abweichen. Die ersten, zweiten und dritten Perioden sind die Gitterabstände der Halbleiterelemente im photonischen Kristall, insbesondere die Abstände der Halbleiterelemente in einer Kavitäts-Haupt- richtung, in der sich ein resonantes Lichtfeld im ersten Resonatorabschnitt ausbreitet. Säulenförmige Halbleiterelemente bilden vorzugsweise ein regelmäßiges zweidimensionales Git- ter. Wandförmige Halbleiterelemente bilden vorzugsweise ein regelmäßiges eindimensionales Gitter.

Die erste Periode im ersten Resonatorabschnitt ist in Abhän ^¬ gigkeit von den elektronischen Bandeigenschaften der Halblei- terelemente und der effektiven Brechzahl des ersten Resonatorabschnitts so gewählt, dass Licht mit einer vorbe ^¬ stimmten Emissionswellenlänge angeregt werden kann. Die erste Periode ist geringer als die zweite und dritte Periode. Der erster Resonatorabschnitt und die zweiten und dritten Re- sonatorabschnitte, die als Reflektorabschnitte oder Confine- mentabschnitte den ersten Resonatorabschnitt einschließen und zum Umlauf von Licht entlang der Kavitäts-Hauptrichtung angeordnet sind, bilden einen Resonator. Wie weiter unten beschrieben wird, wird die erste Periode in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge des ersten Resonatorabschnitts und dem effektiven Brechungsindex gewählt. In Abhängigkeit von der Geometrie des ersten Resonatorabschnitts können sich in diesem geradlinige oder zirkuläre Moden des emittierten

Lichts bilden.

Die zweite und die dritte Periode sind basierend auf der Bragg-Bedingung in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge des ersten Resonatorabschnitts so gewählt, dass Licht im ers ^¬ ten Resonatorabschnitt innerhalb der Kavität entlang der op- tischen Achse reflektiert oder als zirkuläre Mode zwischen den zweiten und dritten Resonatorabschnitten eingeschlossen wird. Entsprechend sind die zweite Periode und die dritte Pe ^¬ riode vorzugsweise gleich. Die Dimension, z. B. Länge oder Innenumfang der Kavität, ist ebenfalls in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge des ersten Resonatorabschnitts so gewählt, dass Licht im ersten Resonatorabschnitt konstruktiv resonant überlagert wird.

Gemäß der Erfindung bildet der dritte Resonatorabschnitt ei ^¬ nen Auskoppelbereich, durch den ein Teil des Lichtfeldes im ersten Resonatorabschnitt in einer Lichtauskopplungsrichtung parallel zu einer Substratoberfläche des Substrats aus dem ersten Resonatorabschnitt auskoppelbar ist. Der dritte Re ^¬ sonatorabschnitt erlaubt eine partielle Transmission des Lichtfeldes, so dass ein Teil des im ersten Resonatorab ^¬ schnitt emittierten Lichts durch den dritten Resonatorabschnitt aus dem Resonator austreten kann. Der Lichtweg des austretenden emittierten Lichts erstreckt sich in der Lichtauskopplungsrichtung .

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Lichtemittervor ^¬ richtung für eine gerichtete Emission durch den dritten Resonatorabschnitt in der Lichtauskopplungsrichtung parallel zur Oberfläche des Substrats konfiguriert. Die ineffektive und ungerichtete Emission in einen weiten Winkelbereich im Halbraum oberhalb des Substrats bei der Laserstruktur gemäß US 2014/0286367 AI oder A. C. Scofield et al . wird durch eine Emission in der vorgegebenen Lichtauskopplungsrichtung er- setzt. Vorteilhafterweise kann die Wirksamkeit der Auskopp ^¬ lung des emittierten Lichts aus dem Resonator durch die Konfiguration des dritten Resonatorabschnitts, z. B. seine Re- flektivität oder Transmission, gewählt werden. Die Erfindung hat den Vorteil, dass der photonische Kristall durch die Bereitstellung eines seitlichen teildurchlässigen Resonatorabschnitts so konzipiert ist, dass Licht parallel zur Substratebene zur Seite ausgekoppelt wird. Damit wird so- wohl in Bezug auf die Anordnung der Halbleiterelemente als auch die Lichtführung eine sich von US 2014/0286367 AI unterscheidende Struktur geschaffen.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, insbesondere gegen- über US 2014/0226691 AI, dass eine Vielzahl von Lichtemittereinrichtungen gleichzeitig im "Bottom-up"-Verfahren monolithisch und in einem einzigen Abscheidungsprozess aufgebaut werden kann. Hieraus ergeben sich gegenüber der nichtmonolithischen Struktur aus US 2014/0226691 AI Vorteile in Bezug auf Wärmedissipation und/oder die Reproduzierbarkeit der Herstellung. Zudem erfolgt der gesamte Herstellungspro- zess auf Si-Substraten, die größer als die bei nicht ^¬ monolithischer Herstellung verwendeten Substrate aus III-V- Verbundhalbleitern sind, was geringere Herstellungskosten er- möglicht.

Die Auskopplung aus dem Resonator zur Seite hin, insbesondere entlang der Substratausdehnung, ermöglicht eine nachfolgende Einkopplung emittierten Lichts in einen oder mehrere Wellen- leiter, die sich vorzugsweise parallel zur Substratebene er ^¬ strecken, und/oder in einen unten beschriebenen Vertikalkopp- ler, der allgemein für eine gerichtete Abstrahlung in eine von der Substratebene abweichenden Richtung, z. B. senkrecht oder geneigt relativ zur Substratoberfläche ausgelegt ist.

Vorteilhafterweise sind verschiedene Resonatorkonfigurationen möglich, die in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung gewählt werden können. Gemäß einer ersten Variante (erste Ausführungsform der Erfindung) sind der zweite Resonatorabschnitt und der dritte Re ^¬ sonatorabschnitt ausschließlich an den zwei zueinander entgegengesetzten Seiten des ersten Resonatorabschnitts angeord- net, so dass der photonische Kristall einen linearen Resona ^¬ tor mit geradlinigen Resonator-Moden bildet. An den übrigen Seiten ist der ersten Resonatorabschnitt hin zu einem Umge ^¬ bungsmedium, z. B. Umgebungsluft oder ein Einbettungsmedium angrenzend angeordnet. Der zweite Resonatorabschnitt und der dritte Resonatorabschnitt sind jeweils für eine Reflexion des Lichtfeldes entlang der Verbindungslinie (optischen Achse, Kavitäts-Hauptrichtung) zwischen den zweiten und dritten Resonatorabschnitten ausgerichtet. Die Lichtauskopplungsrich- tung verläuft parallel zur optischen Achse von geradlinigen Moden zwischen dem zweiten und dem dritten Resonatorabschnitt .

Bei strahlenoptischer Beschreibung des Lichtfeldes bilden die zweiten und dritten Resonatorabschnitte Reflektorabschnitte, wobei der zweite Resonatorabschnitt so dimensioniert ist, dass er eine Reflektivität von 100% oder nahezu 100% (z.B. oberhalb von 99%, insbesondere oberhalb 99, 9%) aufweist, und der dritte eine geringere Reflektivität aufweist. Die Reflek ^¬ tivität des dritten Resonatorabschnitts wird z. B. im Bereich von 90% bis 98% eingestellt.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die ersten, zweiten und dritten Perioden der Halbleiterelemente deren gegenseitige Abstände parallel zur optischen Achse. Säulenför- mige Halbleiterelemente bilden vorzugsweise ein regelmäßiges zweidimensionales Gitter, wobei die erste Periode und die zweite und dritte Periode parallel zur optischen Achse und quer zu dieser gebildet sind. Wandförmige Halbleiterelemente bilden vorzugsweise ein regelmäßiges eindimensionales Gitter, wobei die wandförmigen Halbleiterelemente senkrecht zur opti ^¬ schen Achse ausgerichtet und die erste Periode und die zweite und dritte Periode parallel zur optischen Achse gebildet sind .

Gemäß einer zweiten Variante (zweite Ausführungsform der Erfindung) ist der zweite Resonatorabschnitt den ersten Re ^¬ sonatorabschnitt mehrseitig umgebend angeordnet und der drit ^¬ te Resonatorabschnitt an einer einzigen Seite des ersten Re- sonatorabschnitts angeordnet, so dass der photonische Kris ^¬ tall einen zirkulären Resonator mit zirkulären Resonator- Moden (auch als Hexagonalmoden oder bei strahlenoptischer Beschreibung als Flüstergaleriemoden bezeichnet) bildet. Der erste Resonatorabschnitt ist parallel zur Substratoberfläche von den zweiten und dritten Resonatorabschnitten eingeschlossen. Die Lichtauskopplungsrichtung verläuft in einer Radialrichtung relativ zu den zirkulären Moden im ersten Resonatorabschnitt. Vorteilhafterweise kann mit der zweiten Ausfüh ^¬ rungsform der Erfindung ausgenutzt werden, dass sich in der Kavität die zirkulären Moden bilden, was eine besonders kom ^¬ pakte Bauweise ermöglicht.

Vorzugsweise erstreckt sich der zweite Resonatorabschnitt pa ^¬ rallel zur Substratebene über einen Winkelbereich von mindes- tens 300° um den ersten Resonatorabschnitt, während der drit ^¬ te Resonatorabschnitt nur einen schmalen Winkelbereich, z. B. über 60° oder weniger, an der zweiten Seite des ersten Resonatorabschnitts einnimmt. Besonderes bevorzugt bildet der zweite Resonatorabschnitt eine mehrseitige ununterbrochene Begrenzung des ersten Resonatorabschnitts.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der dritte Resonatorabschnitt in Bezug auf die Lichtauskopp ^¬ lungsrichtung eine geringere Ausdehnung als der zweite Re- sonatorabschnitt auf, während die Halbleiterelemente in den zweiten und dritten Resonatorabschnitten vorzugsweise mit derselben Periode angeordnet sind. Durch die verringerte Aus ^¬ dehnung des dritten Resonatorabschnitts wird die Reflektivi- tät oder die Wirksamkeit des Confinement so verringert, dass die gewünschte Auskopplung am dritten Resonatorabschnitt er ^¬ zielt wird. Die Reflektivität oder die Wirksamkeit des Confi ^¬ nement wird z. B. im Bereich von 90% bis 98% im Vergleich zum zweiten Resonatorabschnitt eingestellt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung besteht in der Flexibilität bei der weiteren Aus ^¬ richtung des aus dem Resonator über den dritten Resonatorabschnitt austretenden Lichts. Beispielsweise kann das in der Lichtauskopplungsrichtung austretende Licht unmittelbar in einen Wellenleiterabschnitt, z.B. in einen in das Substrat integrierten Wellenleiter oder eine Wellenleiteranordnung von Halbleiterelementen oder in eine auf dem Substrat angeordnete optische Faser eingekoppelt werden oder parallel zur Sub ^¬ stratoberfläche gerichtet frei abgestrahlt werden.

Alternativ oder zusätzlich ist die Lichtemittervorrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Oberflächenemittervorrichtung für eine gerichtete Abstrahlung des ausgekoppelten Lichts von der Substratoberfläche, vorzugsweise senkrecht zur Substratoberfläche, konfi ^¬ guriert. In diesem Fall sind vorzugsweise an den dritten Re ^¬ sonatorabschnitt oder den Wellenleiterabschnitt angrenzend außerhalb des Resonators weitere Halbleiterelemente perio- disch angeordnet, die einen Umlenkabschnitt bilden. Zwischen dem dritten Resonatorabschnitt und dem Umlenkabschnitt kann ein in das Substrat integrierter Wellenleiter oder eine Wellenleiteranordnung von Halbleiterelementen vorgesehen sein. Die Halbleiterelemente sind im Umlenkabschnitt mit einer vierten Periode (vierter Abstand, Koppler-Periode) angeord ^¬ net, die von der ersten, zweiten und dritten Periode abweicht . Der Umlenkabschnitt bildet einen Vertikalkoppler. Vorteilhaf ^¬ terweise wird das emittierte Licht mit dem Vertikalkoppler nicht ungerichtet in den Halbraum oberhalb des Substrats, sondern als gerichtetes, paralleles Lichtfeld (Parallel ^¬ strahl) mit einer vorbestimmten Umlenkrichtung relativ zur Substratoberfläche abgelenkt. Die Umlenkrichtung ist vorzugs ^¬ weise im Bereich von 80° bis 90° gewählt.

Vorzugsweise ist die vierte Periode größer als die zweite und dritte Periode. In diesem Fall ergibt sich vorteilhafterweise eine hohe Wirksamkeit der Ablenkung des emittierten Lichts. Besonders bevorzugt ist die vierte Periode so gewählt, dass die Bragg-Bedingung zweiter Ordnung in Bezug auf die Wellenlänge des im ersten Resonatorabschnitt emittierten und vom dritten Resonatorabschnitt teilweise durchgelassenen Lichts im Wesentlichen erfüllt ist und im Umlenkabschnitt eine ver ^¬ tikale Lichtumlenkung auftritt. Die vertikale Lichtumlenkung wird insbesondere erzielt, wenn die Bragg-Bedingung zweiter Ordnung erfüllt ist. Dies ist der Fall, wenn die vierte Peri ^¬ ode näherungsweise doppelt so groß ist wie die zweite und dritte Periode, wobei der genaue Wert von den Details der Konfiguration abhängt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Substrat ein Trägermaterial und eine Kontaktschicht auf, auf der der photonische Kristall gebildet ist. Das Trägerma ^¬ terial hat eine Bandlücke, die größer als die Lichtenergie des emittierten Lichts ist, und einen Brechungsindex, der kleiner als der Brechungsindex des ersten Resonatorabschnitts ist. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Lichtabsorption im Substrat vermieden und eine Wellenführung parallel zur Sub ^¬ stratoberfläche erreicht.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Kontaktschicht aus Silizium. Die Halbleiterelemente sind in unmittelbarem Kontakt mit einer Siliziumschicht angeordnet, wobei sich mehrere Vorteile erge ^¬ ben. Erstens wird die Integration der erfindungsgemäßen

Lichtemittervorrichtung in einen Si-basierten Aufbau, insbe- sondere einen Si-basierten optoelektronischen Chip vereinfacht. Zweitens ist das Silizium ausreichend elektrisch leit ^¬ fähig, um eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterele ^¬ mente an ihren zum Substrat weisenden Ende bereitzustellen. Vorteilhafterweise kann auf dem Substrat, insbesondere der Substratoberfläche aus Silizium zu dem photonischen Kristall benachbart eine Kontaktelektrode angeordnet sein, die einen elektrischen Kontakt zwischen einer Spannungsquelle und den Halbleiterelementen und eine Injektion eines Anregungsstroms ermöglicht .

Besonders bevorzugt besteht das Trägermaterial der Kontakt ^¬ schicht aus Siliziumdioxid, auf dem eine Silizium-Schicht als die Kontaktschicht angeordnet ist, welche die Substratober ^¬ fläche bildet und die Halbleiterelemente trägt. Vorteilhaf- terweise hat das Siliziumdioxid eine besonders große Bandlü ^¬ cke und einen niedrigen Brechungsindex, so dass Licht, das im ersten Resonatorabschnitt emittiert wird, vom Substrat in den ersten Resonatorabschnitt rückreflektiert wird. Die Dicke der Silizium-Kontaktschicht wird vorzugsweise so gewählt, dass die Resonatorgüte des Resonators besser als 2500, insbesonde ^¬ re besser als 5000 ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Halbleiterelemente in einer dielektrischen Ein- bettungsschicht angeordnet. Die dielektrische Einbettungs ^¬ schicht ist vorzugsweise aus einem transparenten Material, insbesondere einem organischen Polymer, wie z.B. Benzocyclo- buten (BCB) oder Hydrogen-Silsesquioxan (HSQ) , oder einem an organischen Material hergestellt. Vorteilhafterweise werden die Halbleiterelemente von der dielektrischen Einbettungs ^¬ schicht mechanisch stabilisiert. Des Weiteren kann gemäß ei ^¬ ner besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Einbettungsschicht eine elektrische Kontaktschicht tragen, die in Kontakt mit den oberen (vom Substrat weg weisenden) Enden der Halbleiterelemente angeordnet ist. Die elektrische Kontaktschicht bildet einen zweiten Kontakt zur Verbindung des photonischen Kristalls mit einer Spannungsquelle und zur Injektion eines Anregungsstroms in den ersten Resonatorab ^¬ schnitt .

Wenn die elektrische Kontaktschicht eine lichtdurchlässige Schicht ist, z.B. aus Indium-Zinnoxid (ITO) hergestellt ist, können sich Vorteile für eine Emission von Licht in den Halb- räum oberhalb des Substrats ergeben. Alternativ kann die elektrische Kontaktschicht eine lichtundurchlässige Schicht, z.B. aus einem Metall, wie z.B. Gold sein, wobei in diesem Fall vorteilhafterweise der Lichteinschluss im ersten Re ^¬ sonatorabschnitt verbessert wird. Durch die elektrische Kon- taktschicht wird die Lichtführung in der Lichtemittervorrichtung vorteilhafterweise noch verstärkt.

Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Be ^¬ trieb der erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung gelöst. Beim Betrieb der Lichtemittervorrichtung erfolgen eine Kopplung der Lichtemittervorrichtung mit einer Spannungsquelleneinrichtung oder einer Pumpeinrichtung, eine Injektion eines An- regungsstroms in den ersten Resonatorabschnitt oder eine op ^¬ tische Anregung (optisches Pumpen) des ersten Resonatorab ^¬ schnitts und eine Emission von Licht durch den dritten Resonatorabschnitt und optional den Umlenkabschnitt.

In Abhängigkeit von der Konfiguration des ersten Resonatorab ^¬ schnitts können verschiedene Funktionen der Lichtemittervorrichtung realisiert werden. Beispielsweise kann der erste Re ^¬ sonatorabschnitt für die Emission von kohärentem Licht ausge- legt sein. Gemäß einer Alternative besteht die Möglichkeit, den ersten Resonatorabschnitt als Einzelphotonen-Emitter zu konfigurieren .

Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtemittervorrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung gelöst. Auf dem Substrat erfolgt ein Aufwachsen der Halbleiterelemente des photoni ^¬ schen Kristalls. Vorzugsweise wachsen alle Halbleiterelemente gleichzeitig auf. Anschließend erfolgt bei einer Konfigurati ^¬ on mit elektrischer Anregung ein Kontaktieren des photonischen Kristalls über Kontaktelektroden. Vorzugsweise umfasst das Aufwachsen der Halbleiterelemente ein direktes epitakti ^¬ sches oder ein Gas-Flüssigkeit-Festkörper-basiertes Wachstum der Halbleiterelemente auf dem Substrat und/oder eine masken ^¬ basierte Deposition der Halbleiterelemente auf dem Substrat. Besonders bevorzugt werden die Halbleiterelemente in einer transparenten Einbettungsschicht eingebettet. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Figur 1: eine schematische Seitenansicht eines photoni ^¬ schen Kristalls einer erfindungsgemäßen

Lichtemittervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2: eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung;

Figur 3: eine schematische Draufsicht auf die erste Aus ^¬ führungsform der erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung;

Figur 4: eine schematische Draufsicht auf die zweite Aus ^¬ führungsform der erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung; und

Figur 5: eine Kurvendarstellung zur Charakterisierung des

Resonators einer erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung .

Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine Lichtemittervorrichtung beschrieben, die mit einem Umlenkabschnitt ausgestattet und als Oberflächenemittervorrichtung mit einer gerichteten Emission in den Halbraum oberhalb zur Substratoberfläche konfiguriert ist. Die Oberflächenemittervorrich ^¬ tung hat besondere Vorteile bei der Anwendung als Vertikale ^¬ mitter. Die Umsetzung der Erfindung in der Praxis ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Vielmehr kann di Lichtemittervorrichtung ohne den Umlenkabschnitt realisiert werden und für eine Emission parallel zur Substratoberfläche ausgelegt sein. Formen der Halbleiterelemente der Lichtemittervorrichtung sind z. B. die Form einer Säule (oder: Nadel, Draht oder Stab) oder die Form einer Wand (oder: Scheibe) . Die Dicke der Halbleiterelemente beträgt vorzugsweise mindestens 5 nm und/oder höchstens 500 nm, und die Höhe der Halbleiterelemente beträgt vorzugsweise mindestens 300 nm und/oder höchstens 10 ym. Die Halbleiterelemente sind vorzugsweise aus einem GaN- oder GaAs-Verbundhalbleiter hergestellt und optional dotiert, z. B. mit Si, Ge oder Mg (GaN) oder mit Si, Be, C oder Te (GaAs) .

Es wird beispielhaft auf eine Lichtemittervorrichtung mit ei ^¬ nem photonischen Kristall Bezug genommen, der aus Nanodrähten hergestellt ist. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Nanodrähten beschränkt, sondern in entsprechender Weise mit einem photonischen Kristall realisierbar, der aus Nano- wänden oder aus Nanodrähten und Nanowänden hergestellt ist. Die Lichtemittervorrichtung kann insbesondere für eine elektrische Anregung oder eine optische Anregung des photonischen Kristalls ausgelegt sein. Des Weiteren können mehrere photo ^¬ nische Kristalle gemeinsam auf einem Substrat angeordnet sein .

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines photoni- sehen Kristalls 20 mit einer Vielzahl von auf einem Substrat (in Figur 1 nicht gezeigt) periodisch angeordneten Nanodrähten 21, die einen ersten Resonatorabschnitt 22, einen zweiten Resonatorabschnitt 23, einen dritten Resonatorabschnitt 24 und einen Umlenkabschnitt 25 bilden. Die Schnittansicht zeigt den photonischen Kristall 20 entlang der Ebene senkrecht zur Substratoberfläche (x-z-Ebene) , wobei die Abschnitte 22 bis 25 in einer Kavitäts-Hauptrichtung (Lichtauskopplungsrich- tung, optische Achse OA, x-Richtung in Figur 1) zueinander benachbart angeordnet sind und der photonische Kristall 20 einen linearen Resonator bildet (erste Ausführungsform der Erfindung) .

In der Ebene parallel zur Substratoberfläche (x-y-Ebene, senkrecht zur Zeichenebene in Figur 1) weisen alle Abschnitte 22 bis 25 jeweils eine rechteckige Grundform auf, so dass der gesamte photonische Kristall 20 eine rechteckige Grundform hat und in y-Richtung freiliegt (siehe unten) . Die Nanodrähte 21 bilden z. B. ( In, Ga) -basierte Quantentopf- Heterostrukturen, die z. B. mit einem Durchmesser von 50 nm und einer Länge von 500 nm hergestellt sind. In den genannten Abschnitten 22 bis 25 weisen die Nanodrähte 21 verschiedene Gitterabstände (Perioden) auf. Die erste Periode di der Nano- drähte 21 beträgt im ersten Resonatorabschnitt 22 z. B.

110 nm.

Im zentralen ersten Resonatorabschnitt 22 wird in Reaktion auf eine optische oder elektrische Anregung (siehe Figur 2) von den Nanodrähten 21 Licht emittiert. Die Ausdehnung des ersten Resonatorabschnitts 22 entlang der optischen Achse OA (Abstand zwischen den zweiten und dritten Resonatorabschnit ^¬ ten 23, 24) ist für eine resonante Überlagerung des emittierten Lichts in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge λ gewählt (siehe Doppelpfeil), und sie beträgt z. B. 2,2 ym.

In den zweiten und dritten Resonatorabschnitten 23, 24 ist die zweite bzw. dritte Periode d2 = d ₃ so gewählt, dass für die resonante Wellenlänge λ des im ersten Resonatorabschnitt 22 mit einer effektiven Brechzahl n emittierten Lichts die

Bragg-Bedingung gemäß Gleichung (1) erfüllt ist und im ersten Resonatorabschnitt 22 emittierte Photonen in diesem einge ^¬ schlossen werden:

d _B = λ / 2n (1) In einem praktischen Beispiel sind für eine Emissionswellenlänge λ von 500 nm in ( In, Ga) -basierten Nanodrähten 21 die zweite und die dritte Periode d ₂ , d3 mit 150 nm eingestellt.

Der zweite und der dritte Resonatorabschnitt 23, 24 sind nicht identisch. Entlang der optischen Achse OA ist die Ausdehnung des dritten Resonatorabschnitts 24 geringer als die Ausdehnung des zweiten Resonatorabschnitts 23. In Strahlungs- auskopplungsrichtung umfasst der zweite Resonatorabschnitt 23, der einen vollständig reflektierenden Spiegel bildet, z. B. 15 Nanodrähte, während der dritte Resonatorabschnitt 24, der einen Auskoppelspiegel bildet, lediglich 5 Nanodrähte, so dass die Ausdehnungen des zweiten Resonatorabschnitts 23 und des dritten Resonatorabschnitts 24 entlang der optischen Achse OA z. B. 2,1 ym und 0,75 ym betragen.

Im Umlenkabschnitt 25 sind die Nanodrähte 21 mit einem ver ^¬ größerten Abstand angeordnet. Die vierte Periode (Umlenk- Periode) d4 ist z. B. so gewählt, dass im Umlenkabschnitt 25 mit der effektiven Brechzahl n die Bragg-Bedingung zweiter Ordnung gemäß Gleichung (2)

d ₀ = λ / n (2)

erfüllt ist. Mit dieser vierten Periode erfolgt eine vertika- le Extraktion des aus dem ersten Resonatorabschnitt 21 ausge ^¬ koppelten Lichts in z-Richtung.

Die vierte Periode d4 muss nicht exakt auf die Bragg- Bedingung zweiter Ordnung gemäß Gleichung (2) abgestimmt sein. Vielmehr reicht es aus, beim genannten Beispiel die vierte Periode d4 um einen Wert von 300 nm zu variieren.

Durch Testexperimente oder numerische Simulationen kann die vierte Periode d4 so gewählt werden, dass die Effektivität der Umlenkung in die Vertikalrichtung maximal wird. Die Aus- dehnung des Umlenkabschnitts 25 entlang der optischen Achse OA beträgt z. B. 3 ym.

Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer bevor- zugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung 100 mit einem Substrat 10 und einem photonischen Kristall 20. Das Substrat 10 weist einen Si-basierten

Schichtaufbau auf, mit dem eine Substratoberfläche 11 aus Si ^¬ lizium bereitgestellt wird. Im Einzelnen umfasst der Schicht- aufbau eine Trägerschicht 12, die aus Silizium oder einem an ^¬ deren Halbleiter- oder Keramikmaterial hergestellt ist, eine Siliziumdioxidschicht 13 und eine Silizium-Kontaktschicht 14, welche die Substratoberfläche 11 bildet. Auf der Silizium- Kontaktschicht 14 kann in Abhängigkeit von dem Verfahren zur Herstellung der Nanodrähte 21 (siehe unten) eine Pufferschicht 15, z. B. aus A1N, und eine Maskierungsschicht 16 aus Siliziumdioxid vorgesehen sein. Die Maskierungsschicht 16 enthält Öffnungen, an denen die Nanodrähte 21 auf die Puffer ^¬ schicht 15 aufgewachsen werden und in denen die Nanodrähte 21 mit der Silizium-Kontaktschicht in elektrischem Kontakt sind. Die Dicke des Substrats 10 beträgt z. B. 0,5 mm.

Benachbart zum photonischen Kristall 20 ist auf der Silizium- Kontaktschicht 14 eine Kontaktelektrode 31 vorgesehen. Die Kontaktelektrode 31 umfasst vorzugsweise eine Metallschicht, z. B. aus Gold mit einer Dicke von 100 nm.

Die Nanodrähte 21 des photonischen Kristalls 20 sind in eine Einbettungsschicht 26, z. B. aus HSQ, eingebettet, welche die Nanodrähte 21 voneinander elektrisch isoliert und mechanisch stabilisiert. An der Oberseite der Einbettungsschicht 26 sind die Enden der Nanodrähte 21 mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktschicht 32 verbunden. Die Kontaktschicht 32 besteht z.B. aus Gold mit einer Dicke von 100 nm. Die Kontaktelektrode 31 und die Kontaktschicht 32 sind zur Verbindung mit einer Spannungsquelle und zur Zuführung eines elektrischen Anregungsstroms zu den Halbleiterelementen (Na- nodrähte 21) vorgesehen. Da die elektrische Anregung der Na- nodrähte 21 lediglich im ersten Resonatorabschnitt 22 vorge ^¬ sehen ist, kann sich die Kontaktschicht 32 auf die Ausdehnung des ersten Resonatorabschnitts 22 beschränken (siehe Figur 3) .

Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erste Aus ^¬ führungsform einer erfindungsgemäßen Lichtemittervorrichtung 100 mit dem Substrat 10 und dem photonischen Kristall 20. Der photonische Kristall 20 umfasst den zentralen ersten Re- sonatorabschnitt 22, der in x-Richtung von dem zweiten Resonatorabschnitt 23 und dem dritten Resonatorabschnitt 24 eingeschlossen ist. Figur 3 zeigt auch die Kontaktelektrode 31 auf der Silizium-Kontaktschicht 11 auf der Oberseite des Substrats 10 und die Kontaktschicht 32, die zumindest den ersten Resonatorabschnitt 22 des photonischen Kristalls 20 bedeckt (gestrichelt gezeigt) .

Die sich gegenüberliegenden Bereiche des zweiten Resonatorabschnitts 23 und des dritten Resonatorabschnitts 24 bilden die End- und Auskoppelspiegel eines linearen Resonators, dessen Haupt-Kavitätsrichtung (optische Achse OA, x-Richtung) mit einer gestrichelten Linie gezeigt ist. Entlang der optischen Achse werden geradlinige Moden erzeugt. Entsprechend der Aus ^¬ richtung des Resonators kann bei Betrieb der Lichtemittervor- richtung 100 Licht, das im ersten Resonatorabschnitt 22 durch optisches Pumpen oder elektrisch angeregt und resonant ver ^¬ stärkt wird, durch den dritten Resonatorabschnitt 24 ausge ^¬ koppelt (siehe gepunkteter Pfeil) und im Umlenkabschnitt 25 in die vertikale z-Richtung (senkrecht zur Zeichenebene) um ^¬ gelenkt werden.

Figur 4 zeigt beispielhaft eine schematische Draufsicht auf die zweite Ausführungsform der Lichtemittervorrichtung 100 mit dem Substrat 10 und dem photonischen Kristall 20, wobei in diesem Fall der erste Resonatorabschnitt 22 mit einer he- xagonalen Form zur Erzeugung zirkulärer Moden (siehe gepunkteter Doppelpfeil) ausgelegt ist. Das im ersten Resonatorab- schnitt 22 generierte Licht wird durch den dritten Resonator ^¬ abschnitt 24 in eine Wellenleiteranordnung 27 ausgekoppelt. Von der Wellenleiteranordnung 27 aus erfolgt eine Weiterleitung in den angrenzenden Raum, einen weiteren, in das Substrat integrierten Wellenleiter oder einen Umlenkabschnitt (siehe Figur 3) .

Die Dimensionen des photonischen Kristalls 20 parallel zur Oberfläche des Substrats 10 werden so gewählt, dass zirkuläre Moden mit der Emissionswellenlänge λ der Nanodrähte im ersten Resonatorabschnitt 22 resonant erzeugt und in Radialrichtung vom zweiten Resonatorabschnitt 23 mit Ausnahme des Bereichs des dritten Resonatorabschnitts 24 eingeschlossen werden, und dass am dritten Resonatorabschnitt 24 eine Auskopplung in den Wellenleiterabschnitt 27 erfolgt. Die konkrete Ermittlung der Dimensionen des zweiten Resonatorabschnitts 23 und des drit ^¬ ten Resonatorabschnitts 24 in Radialrichtung kann durch numerische Simulationen des Confinement am zweiten Resonatorab ^¬ schnitt 23 und der Auskopplung am dritten Resonatorabschnitt 24 erfolgen. In einem praktischen Beispiel betragen der

Durchmesser des ersten Resonatorabschnitts 22 350 nm, die

Breite des zweiten Resonatorabschnitts 23 in Radialrichtung 2,1 ym und die Breite des dritten Resonatorabschnitts 24 in Radialrichtung 100 nm. Eine erfindungsgemäße Lichtemittervorrichtung 100 wird vor ^¬ zugsweise mit einem "Bottom-up"-Verfahren hergestellt. Die Nanodrähte 21 wachsen selektiv in den Löchern einer Maske, was Vorteile für eine genaue Steuerung der Position der Nano- drähte 21 hat. Für die GaN-basierten Nanodrähte 21 wird eine AIN-Pufferschicht 15 auf der Silizium-Kontaktschicht 14 auf ^¬ gebracht, gefolgt von der Abscheidung einer Siliziumdioxid- Maskierungsschicht 16. Die Maskierungsschicht 16 hat Öffnun ^¬ gen, die entsprechend dem Gittermuster angeordnet sind, mit dem die Nanodrähte 21 auf dem Substrat 10 wachsen sollen. Die für elektrische Anregung gewünschte pn-Heterostruktur mit Quantentöpfen für die Ladungsträgerrekombination wird bei der epitaktischen Abscheidung des Halbleitermaterials in axialer oder radialer Richtung entlang der Nanodrähte 21 erhalten.

Nach dem Wachstum der Nanodrähte 21 wird die Einbettungs ^¬ schicht 26 gebildet, indem eine HSQ-Vorläuferlösung z.B.

durch einen Spin-on-Prozess auf die Anordnung der Nanodrähte 21 aufgebracht wird. Nach der Vernetzung von HSQ erfolgen ein Oberflächenabtrag und eine Planarisierung, bis die oberen En ^¬ den der Nanodrähte 21 freiliegen.

Anschließend wird bei einer Lichtemittervorrichtung, die für eine elektrische Anregung ausgelegt ist, zur Herstellung der elektrischen Verbindungen eine Gold-Schicht als elektrisch- leitfähige Kontaktschicht 32 durch z.B. Sputtern aufgebracht.

Die Verwendung von Silizium als Substratmaterial bietet eine Reihe von Vorteilen in Bezug auf die Kosten und die Integra- tionsfähigkeit mit anderen optischen und elektrischen Kompo ^¬ nenten. Da jedoch Silizium als bei kurzen Wellenlängen absorbierendes Material die Resonatorgüte (Q-Faktor) drastisch verschlechtern kann, wird vorzugsweise der in Figur 2 gezeigte Schichtaufbau mit der Siliziumdioxid-Trägerschicht 13 ver- wendet. Die Trägerschicht 13 erlaubt es, den Einfluss der Ab ^¬ sorption zu vermindern, wobei aufgrund der dünnen Silizium- Kontaktschicht 14 dennoch eine elektrische Verbindung zwi ^¬ schen den Nanodrähten 21 und der Kontaktelektrode 31 herge- stellt werden kann. Bei langen Wellenlängen ermöglicht die Siliziumdioxid-Trägerschicht 13 einen Einschluss des Licht ^¬ feldes von unten.

Figur 5 zeigt das Ergebnis einer numerischen Simulation der Resonatorgüte (Q-Faktor) in Abhängigkeit von der Dicke der Silizium-Kontaktschicht 14 auf der Siliziumdioxid- Trägerschicht 13. Aufgrund der Lichtabsorption im Silizium wird ein exponentieller Abfall der Resonatorgüte mit zuneh ^¬ mender Dicke der Silizium-Kontaktschicht 14 erhalten. Während die Resonatorgüte ohne die Silizium-Kontaktschicht 14 über

15.000 betragen würde, erfolgt ein Abfall auf 5.000 bei einer Dicke der Silizium-Kontaktschicht von nur 50 nm und bis zu 1.000 für eine Dicke oberhalb von 150 nm. Vorteilhafterweise ist jedoch eine Silizium-Kontaktschicht 14 mit einer Dicke geringer als 40 nm ausreichend, um die elektrische Kontaktie- rung der Nanodrähte 21 zu gewährleisten.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder in Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.