CN106463581A - 光电子器件 - Google Patents
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Abstract
一种光电子器件(10)，所述光电子器件包括:‑发射辐射的半导体芯片(2)；‑转换元件(8)，所述转换元件适合于将由半导体芯片(2)发射的辐射(12)的至少一部分变换成转换的辐射(13)，其中转换的辐射(13)具有比发射的辐射(12)更大的波长；和‑至少对于转换的辐射(13)而言辐射可穿透的覆盖件(9)，所述覆盖件沿主放射方向跟随转换元件(8)，其中‑转换元件(8)包括量子点转换材料(7)；‑转换元件(8)设置在覆盖件(9)的朝向半导体芯片的内侧(15)上；并且‑覆盖件具有硅(9)或由硅构成。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电子器件、尤其在红外光谱范围中发射的光电子器件。
相关申请的交叉参引
本申请要求德国专利申请10 2014 107 960.4的优先权，其公开内容通过参引并入本文。
发明内容
待解决的目的在于：提出一种在红外光谱范围中发射的光电子器件，所述光电子器件的特征在于良好的散热、改进的光学特性和高的持久稳定性。
所述目的通过根据独立权利要求1所述的光电子器件实现。本发明的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。
根据至少一个实施方式，光电子器件包括发射辐射的半导体芯片和转换元件，所述转换元件适合于：将由半导体芯片发射的辐射的至少一部分变换成转换的辐射，其中转换的辐射具有比发射的辐射更大的波长。尤其地，转换元件能够适合于：吸收发射的辐射的至少一部分并且重新发射具有更大波长的辐射。
根据至少一个实施方式，光电子器件包括至少对于转换的辐射而言可穿透的覆盖件，所述覆盖件在由半导体芯片发射的辐射的主辐射方向上跟随转换元件。覆盖件尤其能够施加到光电子器件的壳体上。
在光电子器件中，转换元件有利地包括量子点转换材料。量子点转换材料包含量子点(Quantum Dots)，所述量子点尤其能够以纳米晶体的形式存在，所述纳米晶体典型地具有在1nm和100nm之间、优选在1nm和20nm之间的颗粒直径。量子点转换材料尤其能够包含量子点，所述量子点基于Cd或Pb的化合物。例如，量子点包含具有元素Cd、Pb、Se、Te或Sb中的至少一个的化合物。
在光电子器件中，转换元件有利地设置在覆盖件的朝向半导体芯片的内侧上。转换元件优选不直接邻接于半导体芯片。
转换元件尤其能够通过由基体材料构成的层形成，量子点转换元件嵌入到所述基体材料中。基体材料优选地不仅对于由光电子半导体芯片发射的辐射、而且也对于在转换元件中产生的转换的辐射是透明的。基体材料尤其能够是聚合物。
基体材料例如能够具有硅树脂、环氧化物、丙烯酸酯或聚苯乙烯。由基体材料连同嵌入其中的量子点转换材料构成的层尤其能够施加到覆盖件的内侧上。
根据至少一个实施方式，光电子器件的覆盖件具有硅或由硅构成。覆盖件优选是硅薄片，所述硅薄片尤其能够由硅构成的半导体晶片制造。覆盖件优选大约100μm至500μm厚。
通过将具有量子点转换材料的转换元件施加到覆盖件的朝向半导体芯片的内侧上，通过覆盖件有利地保护转换元件免受环境影响，例如机械损坏、湿气进入或与氧的反应。此外，在光电子器件运行时在转换元件中产生的热量能够经由具有硅或由硅构成的覆盖件有效地输出。
根据光电子器件的至少一个实施方式，发射辐射的半导体芯片发射红外辐射。尤其地，发射辐射的半导体芯片能够设为用于发射波长在780nm和1100nm之间的辐射。在该设计方案中，发射辐射的半导体芯片在近红外光谱范围(NIR)中发射。
根据至少一个实施方式，由转换元件产生的转换的辐射是红外辐射。尤其地，转换元件能够适合于：将由发射辐射的半导体芯片发射的红外辐射转换成具有更大波长的红外辐射。
根据至少一个实施方式，覆盖件对发射的辐射是吸收性的。这尤其能够表示：覆盖件吸收半导体芯片的发射的辐射的至少90百分比、至少95百分比或甚至至少99百分比。在该设计方案中，基本上仅转换的辐射由覆盖件允许通过。通过覆盖件具有硅或由硅构成，尤其利用硅的吸收，用于吸收由半导体芯片发射的辐射。众所周知，硅对于小于大约1100nm的波长具有高的吸收并且对于大于大约1100nm的波长基本上是透明的。
优选地，由半导体芯片发射的辐射具有波长λe＜1100nm，其中转换的辐射优选具有波长λc＞1200nm。尤其提出：由半导体芯片发射的辐射的波长具有在硅的吸收端之下的波长，并且转换的辐射具有在硅的吸收端之上的波长，所述吸收端在大约1100nm处。以该方式有利地实现：光电子器件基本上仅发射转换的辐射，而由半导体芯片发射的初级辐射有效地通过覆盖件抑制。
根据光电子器件的至少一个实施方式，覆盖件的背离半导体芯片的外侧具有用于对由光电子器件发射的辐射、尤其在转换元件中产生的辐射进行射束成形的结构。在该设计方案中，除了在上文中描述的功能之外，覆盖件具有射束成形元件的功能。在覆盖件的外侧上构成为用于射束成形的结构尤其能够是微透镜结构或微棱镜结构。
根据光电子器件的另一有利的设计方案，覆盖件的背离半导体芯片的外侧具有粗糙化部。以所述方式尤其减小在覆盖件和环境介质、尤其空气之间的边界面上的反射，并且以所述方式改进从光电子器件的辐射耦合输出。
在光电子器件的另一有利的设计方案中，覆盖件的背离半导体芯片的外侧具有抗反射覆层。抗反射覆层有利地减小在覆盖件和环境介质之间的边界面上的反射，进而改进从光电子器件的辐射耦合输出。抗反射覆层能够是单层或由多个单层、尤其介电层构成的层系统。优选地，抗反射覆层在转换的辐射的波长处具有反射最小值。
根据一个有利的实施方式，覆盖件与光电子器件的壳体导热连接。壳体例如能够完全地或部分地由导热材料形成。尤其可行的是：壳体的至少侧壁具有金属或用金属覆层。以所述方式，有利地，能够将由转换元件输出到覆盖件上的热量导出到光电子器件的壳体上。
根据至少一个实施方式，发射辐射的半导体芯片具有有源层，所述有源层包括AlnGamIn1-n-mAs，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。基于砷化物化合物半导体的光电子半导体芯片尤其适合于发射在近红外光谱范围中的辐射。发射辐射的半导体芯片尤其能够是红外发光二极管芯片或红外激光二极管芯片。
附图说明
在下文中，根据实施例结合图1至4详细阐述本发明。
附图示出：
图1示出贯穿根据第一实施例的光电子器件的横截面的示意图，
图2示出贯穿根据第二实施例的光电子器件的横截面的示意图，
图3示出贯穿根据第三实施例的光电子器件的横截面的示意图，并且
图4示出贯穿根据第四实施例的光电子器件的横截面的示意图。
相同的或起相同作用的组成部分在附图中分别设有相同的附图标记。示出的组成部分以及组成部分相互间的大小关系不视为是按比例的。
具体实施方式
在图1中示出的光电子器件10具有半导体芯片2，所述半导体芯片优选是在红外光谱范围中发射的红外发光二极管芯片。半导体芯片2具有有源层4。有源层例如能够构成为pn结、双异质结构、单量子阱结构或多量子阱结构。在此，名称量子阱结构包括任意下述结构:在所述结构中,载流子通过约束(Confinement)获得其能量状态的量子化。尤其地，名称量子阱结构不包含关于量子化的维数的说明。因此,所述量子阱结构此外包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。
有源层4例如设置在n型半导体区域3和p型半导体区域5之间。在图1的实施例中，n型半导体区域朝向半导体芯片的载体1。替选地，半导体芯片2也能够以相反的极性设置在载体1上。这尤其能够是下述情况:半导体芯片构成为所谓的薄膜芯片，其中用于半导体层序列的生长的生长衬底与半导体芯片分离。
半导体芯片2尤其能够基于砷化物化合物半导体。在本文中，“基于砷化物化合物半导体”表示：外延层序列或至少一个层、尤其有源层包括砷化物化合物半导体材料，优选为AlnGamIn1-n-mAs，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。在此，所述材料不必强制性地具有根据上式的数学精确的组成。更确切地说，所述材料能够具有一种或多种掺杂物以及附加的组成部分，所述掺杂物以及附加的组成部分基本上不改变AlnGamIn1-n-mAs材料的表征的物理特性。然而，为了简单，上式仅包含晶格的主要组成部分(Al、Ga、In、As),即使所述主要组成部分通过少量其他物质替代时也如此。
由半导体芯片2发射的辐射12优选是在近红外光谱范围中的辐射，所述辐射尤其能够具有大于780nm并且小于1100nm的波长。
半导体芯片2设置在壳体11中。在壳体11中，半导体芯片2能够设置在载体1上，所述载体优选是导热的和/或导电的并且优选用于半导体芯片2的电接触和/或散热。半导体芯片2的载体1例如能够与壳体11的下侧齐平，使得在光电子器件10的表面安装时，载体1能够与电路板或热沉有利地导电地和/或导热地连接。光电子器件10尤其能够是SMD器件(表面贴装器件，Surface Mountable Device)。
在光电子器件10的壳体11中能够集成有反射器6，通过所述反射器，将光电子半导体芯片2的在侧向方向上发射的辐射有利地转向到主放射方向上。
在光电子器件10中，转换元件8设为用于，将发射的辐射12的至少一部分变换成转换的辐射13，所述转换的辐射具有比发射的辐射12更大的波长。为了该目的，转换元件8有利地包含量子点转换材料7。量子点转换材料尤其能够具有Cd或Pb的化合物。例如量子点包含具有元素Cd、Pb、Se、Te或Sb中的至少一个的化合物。量子点转换材料7尤其能够具有纳米晶体，所述纳米晶体嵌入到基体材料中。基体材料例如能够具有硅树脂、环氧化物、丙烯酸酯或聚苯乙烯。
纳米晶体例如能够具有在大约1nm和100nm之间、优选在1nm和20nm之间的大小。量子点转换材料的特征有利地在于高的量子效率。
转换元件8尤其适合于：将发射的辐射12转换成具有大于1200nm的波长的红外辐射。
在光电子器件10中，转换元件8有利地施加在覆盖件9的朝向半导体芯片2的内侧15上。覆盖件9例如施加到壳体11上并且以所述方式将所述壳体11在其上侧上封闭。覆盖件9优选具有硅并且尤其能够由硅构成。覆盖件9例如是由硅构成的薄片，所述薄片优选大约100μm至500μm厚。硅作为用于覆盖件9的材料的应用尤其具有下述优点：在转换元件8中产生的热量能够由覆盖件9良好地吸收并且输出到壳体11上，其中所述覆盖件同时作用为用于转换元件8的载体。换言之，覆盖件9作用为用于转换元件8的热沉。
此外，借助硅或由硅形成的覆盖件9具有下述优点：所述覆盖件能够作用为用于由半导体芯片2发射的辐射12的吸收器。在此，尤其利用：硅在波长小于大约1100nm时起吸收作用。因此，通过覆盖件9，能够抑制未转换的辐射12进而实现光电子器件10的发射光谱，所述发射光谱基本上仅包含在转换元件8中产生的转换的辐射13。因为硅在其大约1100nm的吸收端之上具有高的透明度，所以在覆盖件9中有利地不减弱或仅不重要地减弱转换的辐射13。
覆盖件9将壳体11在其上侧上优选严密地封闭，由此保护半导体芯片2免受环境影响，尤其抵御湿气的进入或在氧影响下的氧化。因此，光电子器件10的特征在于高的持久稳定性。
光电子器件10的在图2中示出的第二实施例与第一实施例的区别在于覆盖件9的外侧16的设计方案。在该实施例中，覆盖件的外侧16设有微透镜结构14。因此，覆盖件9除了其作为用于转换元件8的载体、作为用于发射的辐射12的吸收器、作为壳体11的包封件和作为用于转换元件9的热沉的功能之外，有利地还具有其他附加功能，即对由光电子器件发射的转换的辐射13进行射束成形的光学功能。对于制造微透镜结构14有利的是：硅用作为用于覆盖件9的材料，因为这能够实现借助在硅半导体技术中本身已知的过程进行制造。关于其他设计方案和有利的特性，第二实施例对应于第一实施例进而不详细阐述。
光电子器件10的在图3中示出的第三实施例与在图1中示出的第一实施例的区别在于：覆盖件9的外侧16设有粗糙化部17。粗糙化部17例如能够借助于刻蚀工艺在覆盖件9的外侧16上产生。
粗糙化部17具有下述优点：避免在覆盖件9和环境介质之间的边界面上的反射损耗进而改进光电子器件10的辐射收益。关于其他的设计方案和有利的特性，第三实施例对应于第一实施例进而不详细阐述。
在图4的实施例中示出用于改进转换的辐射13从覆盖件8耦合输出的替选的可行性。在该实施例中，抗反射覆层18施加到覆盖件9的背离半导体芯片2的外侧上。抗反射覆层18能够构成为单层或多层系统。尤其地，抗反射覆层18能够具有一个或多个介电层。关于其他设计方案和有利的特性，第四实施例对应于第一实施例进而不详细阐述。
本发明不通过根据实施例进行的描述局限于此，更确切地说，本发明包括每个新特征以及特征的任意的组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合，即使所述特征或所述组合自身没有明确地在权利要求或实施例中说明时也如此。
Claims (15)
1.一种光电子器件(10)，所述光电子器件包括：
-发射辐射的半导体芯片(2)；
-转换元件(8)，所述转换元件适合于：将由所述半导体芯片(2)发射的辐射(12)的至少一部分变换成转换的辐射(13)，其中所述转换的辐射(13)具有比所述发射的辐射(12)更大的波长，和
-至少对于所述转换的辐射(13)而言辐射可穿透的覆盖件(9)，所述覆盖件沿主放射方向跟随所述转换元件(8)，
其中
-所述转换元件(8)包括量子点转换材料(7)；
-所述转换元件(8)设置在所述覆盖件(9)的朝向所述半导体芯片的内侧(15)上，并且
-所述覆盖件具有硅(9)或由硅构成。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，
其中所述覆盖件(9)是硅薄片。
3.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述覆盖件(9)的厚度在100μm和500μm之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述发射的辐射(12)是红外辐射。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述转换的辐射(13)是红外辐射。
6.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述覆盖件(9)对于所述发射的辐射(12)是吸收性的。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述发射的辐射(12)具有波长λe＜1100nm。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述转换的辐射(13)具有波长λc＞1200nm。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述覆盖件(9)的背离所述半导体芯片(2)的外侧(16)具有用于对由所述光电子器件(10)发射的辐射进行射束成形的结构(14)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述结构(14)是微透镜结构或微棱镜结构。
11.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述覆盖件(9)的背离所述半导体芯片(2)的外侧(16)具有粗糙化部(17)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述覆盖件(9)的背离所述半导体芯片(2)的外侧(16)具有抗反射覆层(18)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述覆盖件(9)与所述光电子器件(10)的壳体(11)导热连接。
14.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中发射辐射的所述半导体芯片(2)具有有源层(4)，所述有源层包括AlnGamIn1-n-mAs，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。
15.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中发射辐射的所述半导体芯片(2)是红外发光二极管芯片或红外半导体激光器芯片。
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