DE102005008817A1

DE102005008817A1 - Optischer Halbleiter und zugehörige Kontaktierungseinrichtung

Info

Publication number: DE102005008817A1
Application number: DE102005008817A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Henning
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: DE102005008817B4; WO2006089510A3; WO2006089510A2

Abstract

Optischer Halbleiter (1) mit zwei Kontaktflächen (3, 7), welchen jeweils ein Anschlusskontakt (10, 17) einer Kontaktierungseinrichtung zugeordnet ist, wobei mindestens ein Anschlusskontakt (10, 17) kraftschlüssig an der korrespondierenden Kontaktfläche (3, 7) anliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Halbleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine zugehörige Kontaktierungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Ein optischer Halbleiter ist zum einen als Strahlungsquelle konzipiert. Derartige optischer Halbleiter, üblicherweise als Leuchtdiode (LED) bezeichnet, werden in der Beleuchtungstechnik vermehrt eingesetzt. Leuchtdioden zeichnen sich durch lange Lebensdauer, eine kleine Bauform und einen geringen Stromverbrauch aus. Infolge deutlicher Leistungssteigerungen werden Leuchtdioden mittlerweile auch als primäre Lichtquellen für allgemeine Beleuchtungsaufgaben, beispielsweise für Scheinwerter, insbesondere in Fahrzeugen, eingesetzt. Zum anderen werden optische Halbleiter als Strahlungsdetektoren hergestellt. Ein solcher Halbleiter wird insbesondere auch als Photodiode bezeichnet.

Als Strahlung wird vorrangig elektromagnetische Strahlung, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich (sichtbares Licht) und infra-roten Spektralbereich (IR-Strahlung) bezeichnet.

Nachteilig bei den bekannten Halbleitern ist die Anschlusstechnik. Bei herkömmlichen Halbleitern wird nämlich auf der die Strahlung emittierenden bzw. detektierenden aktiven Schichtoberfläche eine üblicherweise metallische Kontaktzone angebracht. Diese Kontaktzone wird üblicherweise zentral auf der Schichtoberfläche angebracht und breitet sich in der Regel sternförmig zu den Rändern der Schichtoberfläche hin aus. Diese Anordnung gewährleistet zum einen eine gleichmäßige Ausbreitung des elektrischen Felds über die Schichtoberfläche. Zum anderen schafft das zentral angebrachte Kontaktfeld eine Fläche zum Verschweißen der Kontaktfläche mit einem an die Kontaktfläche anzuschließenden Anschlusskontakt. In diesem Zusammenhang spricht man auch vom Bonden der Anschluss kontakte an der Kontaktfläche. Infolge dieses Bondens weist ein optischer Halbleiter üblicherweise auf seiner aktiven Schichtoberfläche zentral einen so genannten Bondfleck auf. Dieser Bondfleck verhindert ein Austreten der aus dem Zentrum des optischen Halbleiters emittierten Strahlung. Diese Strahlung muss entweder durch optische Spiegel wieder gebündelt werden oder bündelt sich erst in großer Distanz von der Kontaktfläche des Halbleiters, was den Wirkungsgrad des optischen Halbleiters entsprechend absinken lässt.

Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anschlusstechnik für einen optischen Halbleiter anzugeben und den Halbleiter bzw. die zugehörige Kontaktierungseinrichtung in diesem Sinne vorteilhaft auszugestalten. Diese Aufgabe ist bezüglich des Halbleiters durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1, bezüglich der Kontaktierungseinrichtung durch die Merkmalskombination des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und auch für sich selbst erfinderische Weiterbildungen.

Die Erfindung baut auf dem Grundgedanken auf, den optischen Halbleiter bezüglich mindestens einer Kontaktfläche durch kraftschlüssige Anlage des korrespondierenden Anschlusskontakts an der Kontaktfläche zu kontaktieren. Infolge der kraftschlüssigen Anlage entfällt für diese Kontaktfläche das nach dem Stand der Technik erforderliche Verschweißen, wodurch zum einen der Kontaktierungsvorgang vereinfacht und zum anderen eine thermische Belastung der Kontaktfläche vermieden ist. Die kraftschlüssige Kontaktierungstechnik ermöglicht zudem, den Anschlusskontakt so auszugestalten, dass die aktive Schicht des Halbleiters zur Strahlungsemission bzw. -detektion weitestgehend freiliegt und eine besonders effektive Wärmeableitung, insbesondere aus der unmittelbaren Umgebung der aktiven Schicht erfolgt. Letzteres ist insbesondere bei Leistungs-Leuchtdioden von großer Bedeutung, zumal sich hier die vergleichsweise temperaturempfindliche aktive Schicht im Betrieb stark erhitzt.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung eines Kontaktfelds im Randbereich der Kontaktfläche des optischen Halbleiters. Auf diese Weise ist das Zentrum der ak tiven Schichtoberfläche von Kontaktelementen befreit, so dass in diesem Bereich eine ungestörte Abstrahlung bzw. Strahlungsdetektion ermöglicht ist. Insbesondere ist bei einem Halbleiter mit eckigen, z.B. viereckigen Kontaktflächen die Anordnung eines oder mehrerer Kontaktfelder in Eckbereichen der Kontaktfläche im Sinne eines möglichst großen freien Innenbereichs der Kontaktfläche vorteilhaft. Für eine gute elektrische Feldverteilung auf der Schichtoberfläche und eine Verbesserung der Wärmeableitung ist als zweckmäßige Alternative ein ringartig um den Rand der Kontaktfläche geschlossenes Kontaktfeld vorgesehen.

Dem selben Zweck dient eine optional vorgesehene Leiterbahnstruktur, die sich ausgehend von dem Kontaktfeld oder den Kontaktfeldern in das Innere der Kontaktfläche hinein erstreckt. Die Leiterbahnstruktur ist derart filigran ausgebildet, dass sie die die Abstrahlung nicht signifikant behindert, die aber zu einer Homogenisierung des elektrischen Feldverlaufs, und entsprechend zu einer verbesserten Stromverteilung beiträgt. Die Leiterbahnstruktur kann finger-, netz- und/oder brückenartig ausgebildet sein. Bevorzugt ist hierbei eine Leiterbahnstruktur mit einem zentral bezüglich der Kontaktfläche angeordneten ringartigen Kontaktauge vorgesehen, das über mindestens einen Kontaktsteg mit dem bzw. einem Kontaktfeld verbrückt ist.

Da sich der optische Halbleiter infolge der Strahlungsemission erheblich erwärmt, dehnt er sich während des Betriebs entsprechend aus. Um diese temperaturbedingte Selbstausdehnung des optischen Halbleiters zu kompensieren ist es vorteilhaft, den Kraftschluss des Anschlusskontakts an der Kontaktfläche federnd auszugestalten. Der federnde Anschlusskontakt kann dann die temperaturbedingte Ausdehnung des optischen Halbleiters stufenlos und damit kontinuierlich kompensieren.

Im Sinne einer Funktionstrennung ist es weiterhin vorteilhaft, einen optischen Halbleiter mit zwei einander abgewandten Kontaktflächen vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, die eine Kontaktfläche, welche die aktive Schichtoberfläche aufweist, hinsichtlich der Emission bzw. Detektion der Strahlung zu optimieren, während die andere Kontaktfläche mittelbar oder unmittelbar an einem Federelement widergelagert ist, so dass die Temperaturausdehnungskompensation vollständig von der für die Strahlungsemission bzw. -detektion eigentlich unbedeutenden, der Schichtoberfläche abgewandten Kontaktfläche realisiert wird. Das Federelement kann auf diese Weise die der Schichtoberfläche abgewandte Kontaktfläche großflächig beaufschlagen, ohne dass dies mit einer Einbuße bei der emittierten Strahlungsemission bzw. -detektion verbunden ist. Hierdurch wird eine besonders gute elektische und thermische Ankopplung dieser Kontaktfläche an den Anschlusskontakt erzielt. Letzteres ist insbesondere zur Ermöglichung einer effektiven Kühlung des Halbleiters vorteilhaft.

Schließlich ist es vorteilhaft, den der aktiven Schichtoberfläche zugeordneten Anschlusskontakt mit einem zentralen Durchlass als Durchtritt für die emittierte bzw. zu detektierende Strahlung zu versehen. Auf diese Weise kann das Kontaktfeld auf der Schichtoberfläche des Halbleiters nach Art eines Kranzes den gesamten Randbereich der Schichtoberfläche übergreifen. An diesem umlaufenden Kontaktrand liegt dann die den Durchlass begrenzende Anschlussfläche des Anschlusskontakts an.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt in Explosionszeichnung einen optischen Halbleiter und eine diesem zugeordnete Kontaktierungseinrichtung,
2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des durch die Kontaktierungseinrichtung kontaktierten Halbleiters gemäß 1 im Endmontagezustand
3 bis 5 zeigen jeweils in schematischer Draufsicht eine die aktive Schichtoberfläche des Halbleiters bildende Kontaktfläche in verschiedener Ausführung.
In 1 erkennbar ist der optische Halbleiter 1 mit seiner bezogen auf seine Mittellängsachse 2 (in der Darstellung) nach oben weisenden aktiven Schichtoberflä che 3. Nachfolgend ist beispielhaft ein als Leuchtdiode ausgebildeter Halbleiter 1 beschrieben. Alternativ kann der Halbleiter 1 aber auch als Strahlungsdetektor ausgebildet sein.
Die Schichtoberfläche 3 bildet eine Kontaktfläche des Halbleiters 1. Die Schichtoberfläche 3 ist eingefasst von einem in ihrem Randbereich angeordneten, elektrisch leitenden Kontaktfeld 4.
Die der Schichtoberfläche 3 in Richtung der Mittellängsachse 2 abgewandte Kontaktfläche des Halbleiters 1 ist als rahmenartig ausgebildete, flächig leitende oder mehrere Kontaktfelder umfassende Kontaktanlagefläche 7 ausgestaltet.
Die dem Halbleiter 1 zugeordnete Kontaktierungseinrichtung umfasst einen isolierenden Zentrierring 8, einen Grundkörper 9 und einen in dem Grundkörper 9 federbelastet geführten Anschlusskontakt 10.
Zum Zusammenbau der gesamten in 1 dargestellten Baugruppe wird zunächst der Zentrierring 8 auf den würfelförmigen Grundkörper 9 aufgesetzt. In den Zentrierring 8 wird der Halbleiter 1 eingebracht, so dass er zentriert und sicher gehalten auf dem Grundkörper 9 aufliegt und zugleich gegenüber dem Grundkörper 9 isoliert ist.
In Richtung der Mittellängsachse 2 wird von unten her in den Grundkörper 9 der federnde Anschlusskontakt 10 eingebracht. Der federnde Anschlusskontakt 10 weist einen zylinderförmigen Grundkörper 11 und eine auf den Grundkörper 11 aufgesetzte Kegelspitze 12 auf. Zur Aufnahme des federnden Anschlusskontakts 10 ist im Grundkörper 9 eine zur Form des federnden Anschlusskontakts 10 komplementär ausgebildete Aufnahme 13 ausgebildet. Im Montageendzustand gemäß 2 liegt der federnde Anschlusskontakt 10 im Grundkörper 9 ein, so dass die Kegelspitze 12 kraftschlüssig gegen die Kontaktanlagefläche 7 gedrückt wird, und so den Halbleiter 1 kontaktiert.
Der federnde Anschlusskontakt 10 ist wiederum mit seinem der Kegelspitze 12 in Richtung der Mittellängsachse 2 abgewandten Bodenbereich 14 an einer Blattfeder 15 federnd widergelagert.
Zur Vollendung des Anschlusses des Halbleiters 1 wird in Richtung der Mittellängsachse 2 von oben (d.h. der der aktiven Schichtoberfläche 3 des Halbleiters 1 zugewandten Seite) her der mit einem zentral freigelassenen Durchlass 16 versehene feste Anschlusskontakt 17 gegen die Schichtoberfläche 3 des Halbleiters 1 gepresst. Auf diese Weise bilden die Schichtoberfläche 3 des Halbleiters 1 und eine Anschlussfläche 18 des festen Anschlusskontakts 17 eine kraftschlüssige Verbindung. Die Anschlussfläche 18 des festen Anschlusskontakts 17 ist vom Durchlass 16 durchbrochen, so dass sie den Durchlass 16 nach Art eines Kranzes umgibt. Die kranzartige Anschlussfläche 18 liegt auf dem Kontaktfeld 4 zur Kontaktierung des Halbleiters 1 auf. Im aufliegenden Zustand kann die von der Schichtoberfläche 3 emittierte Strahlung durch den Durchlass 16 des festen Anschlusskontakts 17 problemlos nach außen abstrahlen, was der 2 zu entnehmen ist. Optional ist der Durchlass 16 für eine effektive Strahlungsführung ganz oder teilweise durch ein (nicht näher dargestelltes) Lichtleitelement, insbesondere eine oder mehrere optische Fasern ausgefüllt.
Des Weiteren ist der 2 zu entnehmen, dass bei thermischer Ausdehnung des Halbleiters 1 in Richtung der Mittellängsachse 2 der federnde Anschlusskontakt 10 sich gegen die Blattfeder 15 vom Halbleiter 1 weg bewegen kann, um so die temperaturbedingte Längenausdehnung des Halbleiters 1 zu kompensieren. Bei dieser Bewegung des federnden Anschlusskontakts 10 gegen die Blattfeder 15 in Richtung der Mittellängsachse 2 bildet die Aufnahme 13 im Grundkörper 11 eine Bahnführung für den federnden Anschlusskontakt 10. Aus der 2 ist weiter ersichtlich, dass die Kompensation der temperaturbedingten Ausdehnung des Halbleiters 1 durch Verfahren des federnden Anschlusskontakts 10 gegen die Blattfeder 15 erfolgt bei gleichzeitig unverändert fester Anlage des festen Anschlusskontakts 17 mit der Anschlussfläche 18 am Kontaktfeld 4 des Halbleiters 1 auf dessen Schichtoberfläche 3.
In den 3 bis 5 sind verschiedene bevorzugte Ausführungen der die aktive Schichtoberfläche 3 des Halbleiters 1 bildenden Kontaktfläche schematisch in Draufsicht dargestellt.
Gemäß 3 sind anstelle eines zusammenhängenden Kontaktfeldes vier einzelne Kontaktfelder 4 vorgesehen, deren jedes in einem Eckbereich 20 der viereckigen Schichtoberfläche 3 angeordnet ist. Die Kontaktfelder 4 sind hierbei derart dimensioniert, dass sie im Endmontagezustand weitestgehend außerhalb des von dem Durchlass 16 (in 3 durch eine gestrichelte Linie angedeutet) freigehaltenen Innenbereichs der Schichtoberfläche 3 zurückgezogen sind, so dass quasi der gesamte mit dem Durchlass 16 korrespondierende Bereich der Schichtoberfläche 3 zur Emission von Strahlung freiliegt.
Gemäß 4 ist abweichend davon ein einziges, zusammenhängendes Kontaktfeld 4 vorgesehen, das einen um den Rand der Schichtoberfläche 3 geschlossenen Rahmen bildet. Im dargestellten Beispiel weist dieser Rahmen einen kreisförmigen Innenrand 21 auf, dessen Durchmesser etwa dem Durchmesser des Durchlasses 16 entspricht, so dass wiederum etwa der gesamte mit dem Durchlass 16 korrespondierende Bereich der Schichtoberfläche 3 freiliegt. Andererseits ist gemäß 4 im wesentlichen die gesamte, gegenüber dem Durchlass 16 zurückgezogene Fläche der Schichtoberfläche 3 für das Kontaktfeld 4 ausgenützt, wodurch eine besonders gute elektrische und thermische Ankopplung an den festen Anschlusskontakt 17 erzielt wird.
In einer in 5 dargestellten Variante ist auf der Schichtoberfläche 3 zusätzlich eine filigrane, und damit die Lichtemission bzw. -detektion nicht wesentlich einschränkende Leiterbahnstruktur aufgebracht. Die Leiterbahnstruktur umfasst ein dünnes, kreisringförmiges Kontaktauge 22, das zentral bezüglich der Schichtoberfläche 3 angeordnet und über zwei speichenartige, dünne Kontaktstege 23 mit dem Kontaktfeld 4 leitend verbrückt ist. Durch die aus dem Kontaktauge 22 und den Kontaktstegen 23 gebildete Leiterbahnstruktur wird auf der Schichtoberfläche 3 im Betrieb des Halbleiters 1 eine verbesserte elektrische Feldverteilung, und entsprechend eine verbesserte Stromverteilung erzielt.

1: Halbleiter
2: Mittellängsachse
3: Schichtoberfläche
4: Kontaktfeld
7: Kontaktanlagefläche
8: Zentrierring
9: Grundkörper
10: federnder Anschlusskontakt
11: Grundkörper
12: Kegelspitze
13: Aufnahme
14: Bodenbereich
15: Blattfeder
16: Durchlass
17: fester Anschlusskontakt
18: Anschlussfläche
20: Eckbereich
21: Innenrand
22: Kontaktauge
23: Kontaktsteg

Claims

Optischer Halbleiter (1) mit zwei Kontaktflächen (3, 7), welchen jeweils ein Anschlusskontakt (10, 17) einer Kontaktierungseinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kontaktfläche (3,7) dazu ausgebildet ist, den korrespondierenden Anschlusskontakt (10, 17) durch kraftschlüssige Anlage zu kontaktieren.
Optischer Halbleiter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktflächen (3) ein Kontaktfeld (4) aufweist, das im Randbereich der Kontaktfläche (3) angeordnet ist.
Optischer Halbleiter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass das Kontaktfeld (4) in einem Eckbereich (20) der Kontaktfläche (3) ausgebildet ist.
Optischer Halbleiter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktfeld (4) den Rand der zugehörigen Kontaktfläche (3) ringartig umschließt.
Optischer Halbleiter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine von dem Kontaktfeld (4) ausgehende und in das Innere der Kontaktfläche (3) hineinragende Leiterbahnstruktur (5, 6).
Optischer Halbleiter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnstruktur ein zentral bezüglich der Kontaktfläche (3) angeordnetes ringartiges Kontaktauge (6) aufweist, das durch mindestens einen Kontaktsteg (5) leitend mit dem Kontaktfeld (4) verbrückt ist.
Optischer Halbleiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine eine aktive Schichtoberfläche (3) bildende erste Kontaktfläche, zu welcher die andere Kontaktfläche (7) entgegengesetzt angeordnet ist.
Kontaktierungseinrichtung für einen optischen Halbleiter (1), mit zwei jeweils einer Kontaktfläche (3, 7) des Halbleiters (1) zugeordneten Anschlusskontakten (10, 17), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anschlusskontakt (10, 17) dazu ausgebildet ist, die zugehörige Kontaktfläche (3, 7) durch kraftschlüssige Anlage zu kontaktieren.
Kontaktierungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Anschlusskontakte (10) zur elastisch nachgiebigen Anlage an der korrespondierenden Kontaktfläche (7) federnd beweglich ist.
Kontaktierungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der der aktiven Schichtoberfläche (3) des Halbleiters (1) zugeordnete Anschlusskontakt (17) einen zentralen freigelassenen Durchlass (16) zum Durchtritt für elektromagnetische Strahlung aufweist.
Kontaktierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, mit einem darin kontaktierten Halbleiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zur Kontaktierung mindestens ein Anschlusskontakt (10, 17) der Kontaktierungseinrichtung kraftschlüssig an einer korrespondierenden Kontaktfläche (3, 7) des Halbleiters anliegt.