CN104854715B - 光电子半导体器件和用于制造光电子半导体器件的方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种光电子半导体器件(5)，所述光电子半导体器件在运行中发射混合色的辐射。光电子半导体器件(5)包括光电子半导体芯片(1)、设有弯曲部的转换元件(4)和间隔元件(3)，所述间隔元件设置在光电子半导体芯片(1)和转换元件(4)之间并且具有朝向转换元件(4)的弯曲的表面(3A)，其中转换元件(4)与弯曲的表面(3A)直接接触。
Description
技术领域
提出一种光电子半导体器件，所述光电子半导体器件在运行中发射混合色的辐射。此外，提出一种用于制造光电子半导体器件的方法，所述光电子半导体器件在运行中发射混合色的辐射。
背景技术
例如在WO2010/022699中描述一种光电子器件，所述光电子器件发射混合色的辐射。对此，器件具有发射辐射的半导体芯片和转换元件，所述转换元件跨越半导体芯片。远离半导体芯片设置的并且具有三维结构的这种转换元件称作为“远程磷光体”元件。这种器件由于三维结构虽然具有相对高的转换效率，但是与半导体芯片相比具有明显更大的大小。
发明内容
要实现的目的在于，提出一种紧凑的光电子半导体器件，所述光电子半导体器件在运行中以有效的方式将初级辐射转换成次级辐射。另一个目的是，提出一种用于制造这种光电子半导体器件的方法。
所述目的通过根据本发明的实施例的主题和方法来实现。
主题的和方法的有利的实施方式和改进方案从下文的描述和附图中得出。
根据至少一个实施方式，光电子半导体器件具有光电子半导体芯片，所述光电子半导体芯片在运行中产生初级辐射。初级辐射能够与第一(峰值)波长或第一波长范围、尤其是在可见范围中的第一波长范围相关联。
优选地，光电子半导体芯片包括具有用于产生初级辐射的有源区的半导体层序列。有源区能够包括pn结、双异质结构、单量子阱结构(SQW结构)或多量子阱结构(MQW结构)。
半导体层序列除了有源区之外能够包括其他的功能层和功能区域，例如p型或n型掺杂的载流子传输层、未掺杂的或p型或n型掺杂的约束层、熔覆层或波导层、阻挡层、平坦化层、缓冲层、保护层以及其组合。半导体层序列能够借助于外延法、例如借助于金属有机的气相外延(MOVPE)或分子束外延(MBE)在生长衬底上生长。半导体层序列例如能够由基于InxGayAl1-x-yN的材料形成，其中分别有0≤x≤1并且0≤y≤1。在该情况下，半导体层序列适合于发射短波的、可见的、尤其是绿色至蓝色的初级辐射。
光电子半导体芯片具有辐射出射面和至少一个侧面，所述侧面横向于辐射出射面伸展。侧面优选地垂直于辐射出射面伸展。“至少一个侧面”尤其理解成，半导体芯片在其具有柱形的外罩面时具有一个侧面。如果半导体芯片方形地构成，那么其具有四个侧面。
此外，光电子半导体器件优选地具有设有弯曲部的转换元件，所述转换元件设为用于将初级辐射的至少一部分波长转换成次级辐射。次级辐射能够与第二波长范围或第二(峰值)波长相关联，所述第二(峰值)波长尤其大于第一(峰值)波长。因此，转换元件设为用于所谓的“降频转换”，其中由较短波的光激发较长波的光的生成。
转换元件优选地设置在光电子半导体芯片上。
转换元件尤其具有至少一种或多种转换材料，所述转换材料适合于进行波长转换。例如，光电子半导体芯片能够发射蓝光，所述蓝光由转换元件至少部分地转换成绿光和/或红光和/或黄光，使得半导体器件在运行中能够放射白光。转换元件例如能够以颗粒的形式施加，所述颗粒嵌入基体材料、例如塑料、例如硅树脂中。
此外，光电子半导体器件有利地包括间隔元件，所述间隔元件设置在光电子半导体芯片和转换元件之间。间隔元件的朝向转换元件的表面优选弯曲地构成。转换元件与弯曲的表面直接接触。这给予转换元件相应的弯曲。优选地，间隔元件的弯曲的表面凸状地弯曲。例如，弯曲的表面能够如球缺的表面那样构成。相应地，转换元件的朝向间隔元件的边界面能够如球缺的表面那样构成。
在设有弯曲部的转换元件中，由于在进行转换的位置处的不平坦的几何形状，有利地减小的辐射密度处于主导，这引起转换材料的较高的转换效率。同时，器件在转换元件设置在半导体芯片上的情况下具有紧凑的大小，因为其与半导体芯片相比几乎不具有更大的大小。
根据至少一个实施方式，光电子半导体芯片是表面发射器。光电子半导体芯片因此通过辐射出射面发射初级辐射的大部分。
有利地，设有弯曲部的转换元件的三维结构在表面发射器的情况下也能够实现相对均匀的放射特性，这就是说由半导体器件发射的混合色的辐射的色度坐标很少与放射角相关地波动。
优选地，光电子半导体芯片是薄膜芯片，所述薄膜芯片很好地近似为郎伯特表面放射器。薄膜芯片尤其不具有生长衬底。薄层发光二极管芯片的基本原理例如在I.Schnitzer等的Appl.Phys.Lett.63(16)，1993年10月18日，2174-2176中描述，其公开内容在此通过参考并入本文。
根据至少一个实施方式，转换元件作为均匀厚度的层施加到弯曲的表面上。有利地，均匀厚度的转换层引起，转换元件中的路径长度并进而转换分量与角度相关地大致相等。层能够由唯一的层形成或者具有多个子层。子层的最小的层厚度在此能够通过转换颗粒的颗粒大小确定并且尤其大致为5μm。
例如，转换元件能够喷镀到间隔元件的弯曲的表面上(英语为：Spray Coating)。也能够考虑的是，转换元件借助于丝网印刷法、借助于离心涂镀或刮涂施加。此外可能的是，转换颗粒借助于电泳施加到弯曲的表面上。随后，转换颗粒能够通过嵌入到基体材料中固定在弯曲的表面上。
根据至少一个实施方式，间隔元件的朝向转换元件的弯曲的表面完全由转换元件覆盖。因此，转换元件在弯曲的表面的区域中尤其不具有材料中断(Materialunterbrechungen)。
根据至少一个实施方式，半导体芯片的至少一个侧面由转换元件覆盖。在用于制造转换元件的一个有利的方法中，为了将制造耗费保持得小，放弃有针对性的施加，在所述有针对性的施加中，例如借助于掩膜仅对限定的区域覆层。这引起，转换元件也能够到达至少一个侧面上并且必要时到达连接载体上，在所述连接载体上固定有半导体芯片。
根据至少一个实施方式，间隔元件与半导体芯片的辐射出射面直接接触。间隔元件能够直接施加到辐射出射面上。尤其地，间隔元件仅设置在辐射出射面上。优选地，至少一个侧面未由间隔元件覆盖。
根据至少一个实施方式，间隔元件对于初级辐射而言是可穿透的。尤其地，间隔元件由透明的塑料材料、例如由硅树脂形成。
根据至少一个实施方式，光电子半导体器件具有光学元件，所述光学元件设置在转换元件上。
优选地，光学元件是设为用于射束成型的透镜。尤其地，光学元件设为用于由初级辐射和次级辐射组成的混合色的辐射的射束集束。有利地，光学元件对于初级辐射和次级辐射而言是可穿透的。
根据至少一个实施方式，光学元件在半导体芯片的下游从所述半导体芯片开始设置在辐射出射面和至少一个侧面上。尤其地，光学元件跨越半导体芯片，使得所述半导体芯片在至少一个侧面和辐射出射面上由光学元件覆盖。有利地，光学元件用作为用于设有间隔元件和转换元件的半导体芯片的封装件。由此，能够放弃附加的壳体。
根据至少一个实施方式，光电子半导体构件包括连接载体，在所述连接载体上设置有光电子半导体芯片。尤其地，光电子半导体芯片固定在连接载体上。此外，半导体芯片能够借助于连接载体电连接。例如，连接载体具有基本体和电连接区域，所述电连接区域设置在基本体中和/或基本体上。例如，基本体由陶瓷形成，这能够实现在运行中出现的热的散热。
根据用于制造如在上文中描述的在运行中发射混合色的辐射的光电子半导体器件的方法的至少一个实施方式，在第一方法步骤中提供具有辐射出射面和至少一个横向于辐射出射面伸展的侧面的光电子半导体芯片，所述光电子半导体芯片在运行中通过辐射出射面发射初级辐射。在下一个方法步骤中，将材料体积设置在辐射出射面上并进而构成间隔元件。材料体积的表面应力有利地有助于产生弯曲的表面。表面的弯曲部通过材料体积的大小来确定。在另一个方法步骤中，将转换材料设置到间隔元件的弯曲的表面上并进而构成弯曲的转换元件。
根据方法的至少一个实施方式，液态地涂覆用于构成间隔元件的材料体积。优选地，在此，半导体芯片的对辐射出射面限界的芯片棱边用作为用于材料体积的阻止棱边。这就是说，芯片棱边防止，材料体积越过芯片棱边例如扩展到至少一个侧面上。优选地，材料体积借助于针管施加到半导体芯片的辐射出射面上。
根据方法的至少一个实施方式，将转换材料借助于喷镀(英语为：Spray Coating)施加到间隔元件上。优选地，转换材料由喷镀剂形成，所述喷镀剂包含基体材料和转换颗粒。尤其地，基体材料在喷镀剂中已经包围转换颗粒。转换颗粒例如在基体材料中分布并且全面地由基体材料包围。基体材料能够在施加之后用于间隔元件和转换颗粒之间的良好的附着。例如，基于树脂的或包含硅树脂的基体材料能够使用。
此外，喷镀剂优选地包含溶剂，所述溶剂稀释转换颗粒和基体材料构成的混合物并且进而简化转换材料的喷镀。例如，能够将庚烷用作为溶剂。庚烷尤其在使用包含硅树脂的基体材料时是适合的。
根据方法的至少一个实施方式，喷镀剂由喷镀设备的喷嘴喷镀到间隔元件上。喷镀剂能够以多层形式施加到半导体芯片上。这能够实现均匀地施加转换材料。例如，为了制造第一层能够产生第一喷雾。为了制造第二层能够产生第二喷雾。在喷雾之间能够插入停顿，其中喷镀剂在停顿时能够固化成薄层。
根据方法的至少一个实施方式，将光学元件模制到设有转换元件和间隔元件的半导体芯片上。光学元件能够由成型料形成。尤其地，将成型料形状配合地施加到设有转换元件和间隔元件的半导体芯片上。这能够在成型过程中、例如借助于喷射、浇注或印刷实现。成型料优选地包含透明的塑料材料，如硅树脂。
附图说明
其他的优点、有利的实施方式和改进方案从在下面结合附图描述的实施例中得出。
附图示出：
图3和4示出光电子半导体器件的不同的实施例的侧视图，并且
图1至4示出根据不同的实施例的用于制造光电子半导体器件的方法的不同的方法步骤。
具体实施方式
在图1中示出用于制造光电子半导体器件的第一方法步骤，所述光电子半导体器件在运行中发射混合色的辐射。在此，提供光电子半导体芯片1，所述光电子半导体芯片具有辐射出射面1A和多个横向于、尤其垂直于辐射出射面1A伸展的侧面1B。光电子半导体芯片1包括具有用于产生初级辐射的有源区(没有示出)的半导体层序列。此外，光电子半导体芯片1设有电接触部(没有示出)，使得其能够电运行。
半导体芯片1设置在连接载体2上。尤其地，半导体芯片1固定在连接载体2上。优选地，连接载体2包括电接触区域(没有示出)，所述电接触区域与半导体芯片1的电接触部接触。此外，连接载体2能够包括基本体，在所述基本体中和/或在所述基本体上设置有连接区域(没有示出)。例如，基本体能够由陶瓷形成。
在图2中示出第二方法步骤。在此，在半导体芯片1的辐射出射面1A上设置材料体积并且构成间隔元件3。尤其液态涂覆的材料体积的表面应力有助于产生弯曲的表面3A。材料体积优选地有针对性地掺杂，使得表面3A具有期望的弯曲部。材料体积能够借助于针管有针对性地掺杂地施加到辐射出射面1A上。尤其地，半导体芯片1的芯片棱边阻止材料体积逾越到侧面1B上。这样形成的间隔元件3尤其具有凸状弯曲的表面3A。表面3A能够如球缺的表面那样构成。间隔元件3的与半导体芯片1直接相邻的区域相反地能够具有平坦的表面3B。
在图3中示出第三方法步骤，其中将转换材料施加到间隔元件的弯曲的表面3A上并且构成弯曲的转换元件4。转换元件4的朝向弯曲的表面3A的边界面(没有示出)在此尤其具有与表面3A相同的曲率。
转换元件均匀地以一个或多个层的形式施加到弯曲的表面3A上。尤其地，转换材料如在上文中描述的那样喷镀。
在用于制造转换元件4的一个有利的方法中，为了将制造耗费保持得小，放弃有针对性的施加，在所述有针对性的施加中，例如借助于掩膜仅对有限的区域覆层。这引起，转换元件4也到达侧面1B和连接载体2。
通过结合图1至3描述的方法制造光电子半导体器件5，所述光电子半导体器件在运行中发射混合色的辐射。
半导体器件5包括光电子半导体芯片1，所述光电子半导体芯片在运行中通过辐射出射面1A发射初级辐射6A。此外，半导体器件5具有设有弯曲部的转换元件4，所述转换元件设置在光电子半导体芯片1上并且设为用于将初级辐射6A的至少一部分波长转换成次级辐射6B。光电子半导体芯片1优选为表面发射器并进而通过辐射出射面1A发射初级辐射6A的大部分。
有利地，设有弯曲部的转换元件4的三维结构在表面发射器的情况下也能够实现相对均匀的放射特性，这就是说，由半导体器件5发射的混合色的辐射的色度坐标很少与放射角相关地波动。
此外，半导体器件5包括间隔元件，所述间隔元件设置在光电子半导体芯片1和转换元件4之间并且具有朝向转换元件4弯曲的表面，其中转换元件4与弯曲的表面直接接触。此外，半导体构件5包括连接载体2，在所述连接载体上设置有半导体芯片1。此外，半导体芯片1借助于连接载体2能够电连接。
如在图3中示出的光电子半导体器件5还能够用壳体补充(没有示出)。
如在图4中示出的那样，在第四方法步骤中，将光学元件7模制到设有间隔元件和转换元件4的半导体芯片1上。光学元件7能够由成型料形成，所述成型料形状配合地施加到设有转换元件4和间隔元件的半导体芯片1上。这能够在成型过程中、例如借助于喷射、浇注或印刷进行。
光学元件7设置在连接载体2上。此外，所述光学元件在半导体芯片1的下游从所述半导体芯片开始设置在辐射出射面1A和侧面1B上。光学元件1形成用于设有间隔元件和转换元件4的半导体芯片1的封装件，使得不需要附加的壳体。
光学元件7对于初级辐射6A和次级辐射6B而言是可穿透的。优选地，光学元件7包含透明的塑料材料，例如硅树脂。光学元件7是设为用于射束成型的透镜。尤其地，光学元件7设为用于由半导体器件5发射的混合色的辐射的射束集束，所述混合色的辐射由初级辐射6A和次级辐射6B组成。
本发明不受根据实施例对此进行的描述的限制。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的任意组合，这尤其包含在权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详细地在权利要求中或实施例中给出时也如此。
本申请要求德国专利申请102012112307.1的优先权，其公开内容在此通过参考并入本文。
Claims (14)
1.一种光电子半导体器件(5)，所述光电子半导体器件在运行中发射混合色的辐射，所述光电子半导体器件包括：
-光电子半导体芯片(1)，所述光电子半导体芯片具有辐射出射面(1A)和至少一个横向于所述辐射出射面(1A)伸展的侧面(1B)，所述光电子半导体芯片在运行中通过所述辐射出射面(1A)发射初级辐射(6A)，
-设有弯曲部的转换元件(4)，所述转换元件设置在所述光电子半导体芯片(1)上并且设为用于将所述初级辐射(6A)的至少一部分波长转换成次级辐射(6B)，以及
-间隔元件(3)，所述间隔元件设置在所述光电子半导体芯片(1)和所述转换元件(4)之间并且具有朝向所述转换元件(4)的弯曲的表面(3A)，其中
-所述转换元件(4)与所述弯曲的表面(3A)直接接触，
-所述转换元件(4)是施加到所述弯曲的表面(3A)上的厚度均匀的层，
-至少一个所述侧面(1B)由所述转换元件(4)覆盖，并且
-至少一个所述侧面(1B)未由所述间隔元件(3)覆盖。
2.根据权利要求1所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述间隔元件(3)对所述初级辐射(6A)而言是能穿透的。
3.一种光电子半导体器件(5)，所述光电子半导体器件在运行中发射混合色的辐射，所述光电子半导体器件包括：
-光电子半导体芯片(1)，所述光电子半导体芯片具有辐射出射面(1A)和至少一个横向于所述辐射出射面(1A)伸展的侧面(1B)，所述光电子半导体芯片在运行中通过所述辐射出射面(1A)发射初级辐射(6A)，
-设有弯曲部的转换元件(4)，所述转换元件设置在所述光电子半导体芯片(1)上并且设为用于将所述初级辐射(6A)的至少一部分波长转换成次级辐射(6B)，以及
-间隔元件(3)，所述间隔元件设置在所述光电子半导体芯片(1)和所述转换元件(4)之间并且具有朝向所述转换元件(4)的弯曲的表面(3A)，其中
-所述转换元件(4)与所述弯曲的表面(3A)直接接触，
-至少一个所述侧面(1B)未由所述间隔元件(3)覆盖，
-所述间隔元件(3)对于所述初级辐射(6A)而言是能穿透的，
-至少一个所述侧面(1B)由所述转换元件(4)覆盖，以及
-所述转换元件(4)具有多个子层。
4.根据权利要求1或3所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述间隔元件(3)的朝向所述转换元件(4)的所述弯曲的表面(3A)由所述转换元件(4)完全覆盖。
5.根据权利要求1或3所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述间隔元件(3)的朝向所述转换元件(4)的所述弯曲的表面(3A)是凸状弯曲的。
6.根据权利要求1或3所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述间隔元件(3)与所述辐射出射面(1A)直接接触。
7.根据权利要求1或3所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述间隔元件(3)由透明的塑料材料形成。
8.根据权利要求1或3所述的光电子半导体器件(5)，
所述光电子半导体器件具有光学元件(7)，所述光学元件设置在所述转换元件(4)上。
9.根据权利要求8所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述光学元件(7)从所述半导体芯片(1)开始在所述半导体芯片(1)的下游设置在所述辐射出射面(1A)和至少一个所述侧面(1B)上。
10.根据权利要求8所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述光学元件(7)是设为用于射束成型的透镜。
11.根据权利要求1或3所述的光电子半导体器件(5)，
其中所述光电子半导体芯片(1)是表面发射的薄膜半导体芯片。
12.一种用于制造在运行中发射混合色的辐射的光电子半导体器件(5)的方法，具有下述步骤：
-提供光电子半导体芯片(1)，所述光电子半导体芯片具有辐射出射面(1A)和至少一个横向于所述辐射出射面(1A)伸展的侧面(1B)，所述光电子半导体芯片在运行中通过所述辐射出射面(1A)发射初级辐射(6A)，
-将材料体积设置在所述辐射出射面(1A)上以构成间隔元件(3)，其中所述材料体积的表面应力有助于产生弯曲的表面(3A)，
-将转换材料施加到所述间隔元件(3)的所述弯曲的表面(3A)上以构成弯曲的转换元件(4)，其中
-将所述转换元件(4)借助于喷镀施加到所述弯曲的表面(3A)上，
-至少一个所述侧面(1B)由所述转换元件(4)覆盖，并且
-至少一个所述侧面(1B)未由所述间隔元件(3)覆盖。
13.一种用于制造在运行中发射混合色的辐射的光电子半导体器件(5)的方法，具有下述步骤：
-提供光电子半导体芯片(1)，所述光电子半导体芯片具有辐射出射面(1A)和至少一个横向于所述辐射出射面(1A)伸展的侧面(1B)，所述光电子半导体芯片在运行中通过所述辐射出射面(1A)发射初级辐射(6A)，
-将材料体积设置在所述辐射出射面(1A)上以构成间隔元件(3)，其中所述材料体积的表面应力有助于产生弯曲的表面(3A)，
-将转换材料施加到所述间隔元件(3)的所述弯曲的表面(3A)上以构成弯曲的转换元件(4)，其中
-至少一个所述侧面(1B)未由所述间隔元件(3)覆盖，
-所述间隔元件(3)对于所述初级辐射(6A)而言是能穿透的，
-至少一个所述侧面(1B)由所述转换元件(4)覆盖，以及
-为了制造所述转换元件(4)，将转换材料的多个层施加到所述半导体芯片(1)上，其中在第一层的施加和第二层的施加之间插入停顿，在所述停顿中所述转换材料固化。
14.根据权利要求12或13所述的方法，
其中将光学元件(7)模制到设有所述转换元件(4)和所述间隔元件(3)的所述半导体芯片(1)上。
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