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Die
Erfindung betrifft ein lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement,
wie es beispielsweise als Leuchtdiode (LED) bekannt ist. Lichtabstrahlende Halbleiterbauelemente
zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Halbleiterschichtenfolge
besitzen, die im Betrieb Licht aussendet. Zwar handelt es sich hierbei
um eine sehr effiziente Methode der Lichterzeugung, dennoch weisen
lichtabstrahlende Halbleiterbauelemente eine Verlustleistung auf,
welche in Wärme umgesetzt wird. Eine hohe Lichtleistung
ist auch mit einer hohen Wärmeleistung verbunden, sodass bei
leistungsstarken LEDs Kühlvorrichtungen notwendig sind,
um zu verhindern, dass die Temperatur des Halbleiterbauelementes
einen zulässigen Wert überschreitet.
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Um
eine Kühlung der Halbleiterschichtenfolge zu bewerkstelligen
ist es bekannt, den Halbleiterchip mit einer Metallstruktur zu verbinden,
die die Wärme ableitet. Beispielsweise kann eine Anschlussbahn
eines Leadframes dazu verwendet werden, die entstehende Wärme
abzuleiten. Aus der
DE 19536454
B4 ist es bekannt, ein Leadframe so auszugestalten, dass
die Wärme nicht nur seitlich aus dem Gehäuse eines
Halbleiterbauelementes ausgeleitet wird, sondern auch auf kurzem
Weg auf die Unterseite des Halbleiterbauelementes geführt
wird, wo das Leadframe mit einer Metallfläche einer Leiterplatte
verbunden werden kann, um so die Wärme auf eine große
Metallfläche auszukoppeln. Mit steigender Leistung der
Halbleiterbauelemente ist aber selbst mit derartig gestalteten LED-Anschlüssen nicht
in jedem Fall eine ausreichende Kühlung sichergestellt.
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Weiterhin
ist es bekannt, Flüssigkühlungen vorzusehen, um
den Wärmetransport weg von dem Halbleiterchip zu verbessern.
Dies ist jedoch eine sehr aufwändige Art der Kühlung.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement
anzugeben, bei dem die Kühlung verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein lichtabstrahlendes
Halbleiterbauelement gelöst mit einem substratlosen Halbleiterchip,
zwei Anschlüssen zur Kontaktierung des Halbleiterchips
und einer unter dem Halbleiterchip angeordneten Kühlanordnung.
Diese weist gemäß der Erfindung eine Schichtenfolge
auf mit einer ersten Metallschicht, die einen ersten elektrischen
Anschluss der Kühlanordnung bildet, einer darunter liegenden,
hoch dotierten Halbleiterschicht, einer darunter liegenden, dotierten Halbleitersubstratschicht
und einer darunter liegenden zweiten Metallschicht, die einen zweiten
elektrischen Anschluss der Kühlanordnung bildet.
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Die
Metallschichten und die unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten
weisen unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten auf. Wird die Schichtenfolge
von einem Strom durchflossen, so besitzt sie die Wirkung eines Peltier-Elements,
welches eine Kühlung des substratlosen Halbleiterchips
bewirkt. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass so genannte „Hot-Spots"
eines Halbleiterchips effizient gekühlt werden. „Hot-Spots"
sind kleine, überdurchschnittlich heiße Bereiche
des Halbleiterchips, die eine Ausdehnung insbesondere kleiner als
100 Mikrometer haben. Die Erfindung umfasst die Erkenntnis, dass durch
eine derartige Anordnung nicht nur die durchschnittliche Temperatur
des Halbleiterchips reduziert werden kann, sondern eine derartige
Kühlung insbesondere zur Kühlung der Hot-Spots
geeignet ist.
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Nach
der Lehre der Erfindung wird also das üblicherweise verwendete
Substrat eines Halbleiterbauelementes durch eine Kühlanordnung
ersetzt, die ein Peltier-Element bildet. Es handelt sich um eine Chiplevel-Kühlung
der lichterzeugenden Halbleiterschichtenfolge.
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Während
Peltier-Elemente an sich bekannt sind, weist die erfindungsgemäße
Anordnung den Vorteil auf, dass sie nicht eine großflächige
Kühlung bereitstellt, sondern eine unmittelbare Kühlung
auch kleiner Bereich des Chips ohne große, dazwischen liegende
Wärmewiderstände ermöglicht.
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Ein
substratloser Leuchtdioden-Halbleiterchip, wie er bei dieser Erfindung
verwendet wird, zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische
Merkmale aus:
- – an einer zu einem
Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche
einer strahlungserzeugenden Epitaxie-Schichtenfolge ist eine reflektierende Schicht
aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der
Epitaxie-Schichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung
in diese zurück reflektiert,
- – die Epitaxie-Schichtenfolge weist eine Dicke im Bereich
von 20 Mikrometer oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 Mikrometer
auf und
- – die Epitaxie-Schichtenfolge enthält zumindest eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine
Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd
ergodischen Verteilung des Lichtes in der Epita xie-Schichtenfolge führt,
das heißt sie weist eine möglichst ergodisch-stochastrisches
Streuverhalten auf.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
lichtabstrahlenden Halbleiterbauelements ist die hoch dotierte Halbleiterschicht
eine Silizium-Schicht, insbesondere eine mit Bor dotierten Silizium-Schicht.
Eine solche Schicht weist einerseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit
auf, andererseits besitzt sie einen hohen Seebeck-Koeffizienten.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, wenn die Halbleitersubstratschicht ebenfalls eine
Silizumschicht ist. Eine Silizium-Schicht ist günstig herstellbar
und trägt somit zu einer unter Kostengesichtspunkten günstigen Realisierung
eines Halbleiterbauelements bei.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes ist unterhalb der zweiten
Metallschicht ein weiteres Kühlelement gebildet. Bei einer
solchen Anordnung kann die Halbleitersubstratschicht besonders dünn
ausgeführt werden. Während die nach dem Peltier-Effekt
arbeitende Kühlanordnung Wärme aus der unmittelbaren
Umgebung des Halbleiterchips wegführt, insbesondere von
den Hot-Spots der Halbleiterschicht wegführt, ist das weitere
Kühlelement dafür geeignet, die an der zweiten
Metallschicht entstehende Wärme großflächig
an die Umgebung abzuführen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes
nach der Erfindung, welches ein zusätzliches Kühlelement aufweist,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes
nach der Erfindung, bei dem die Kühlanordnung eine Fläche kleiner
als die Chipfläche direkt kühlt, und
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel eines lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes
nach der Erfindung, bei dem der substratlose Halbleiterchip und
die Kühlanordnung in Reihe geschaltet sind.
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes 1. Das Halbleiterbauelement 1 weist
einen substratlosen Halbleiterchip 2 auf, der aus einer
Halbleiterschichtenfolge besteht, welcher Licht emittiert, wenn
sie von einem Betriebstrom durchflossen wird. In der schematischen
Darstellung von 1 sind nur zwei Schichten dargestellt,
die einen PN-Übergang symbolisieren. In konkreten Ausführungen
sind mehr Schichten vorhanden. Die lichterzeugende Schichtenfolge
wird auch als Epitaxie-Schicht bezeichnet.
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Der
substratlose Halbeiterchip 2 besitzt zwei Kontaktflächen,
nämlich auf der Oberseite und auf der Unterseite. Der Oberseitenkontakt
ist mit einem Bonddraht 13 zu einem seitlich angeordneten
Metallkontakt 12 verbunden. Die andere Kontaktfläche
des Halbleiterchips 2 befindet sich auf der Unterseite und dort
mit einer Metallschicht 11 verbunden, so dass der Halbleiterchip über
die Kontakte 11 und 12 angeschlossen und mit einem
Betriebsstrom versorgt werden kann.
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Eine
Kühlanordnung 3 besteht im Wesentlichen aus einer
ersten Metallschicht 4, einer hoch dotierten Halbleiterschicht 5,
einer niedriger dotierten Halbleitersubstratschicht 3 sowie
einer zweiten Metallschicht 7. Die erste Metallschicht 4 ist
mit einem Leiter 8 verbunden, über den der Kühlanordnung 6 ein
elektrischer Strom 9 zugeführt werden kann. Der Strom
fließt durch den Leiter 8 zu der ersten Metallschicht 4,
von dort durch die hoch dotierte Halbleiterschicht 5 in
das Halbleitersubstrat 6. Dort verteilt sich der Strom
in ein größeres Volumen, wie von den Pfeilen in
der 1 angedeutet ist, und erreicht schließlich
die zweite Metallschicht 7, die einen zweiten Anschluss
der Kühlanordnung bildet. Zwischen dem Leiter 8 und
dem Halbleitersubstrat 6 ist eine Isolationsschicht vorgesehen,
die beispielsweise aus SiN besteht. So wird verhindert, dass ein
Strom direkt in das Halbleitersubstrat 6 eintritt.
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Der
Strom 9, der durch die Kühlanordnung 3 fließt,
bewirkt den Peltiereffekt, der an den Übergängen
zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten
auftritt. Der Seebeck-Koeffizient beschreibt den Zusammenhang zwischen
einer elektrischen Spannung entlang eines Temperaturgradienten über
einem elektrischen Leiter. Er hat die Dimension einer elektrischen
Spannung pro Temperaturdifferenz. Zur technischen Anwendung dieses
Effekts sind zwei verschiedene elektrische Leiter nötig, die
sich in ihrer elektrischen Wärmekapazität, das heißt
in ihrem Seebeck-Koeffizienten unterscheiden, da bei gleicher Temperatur
die Elektronen in beiden Leitern unterschiedliche Bewegungsenergien
haben.
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Während
der Seebeck-Effekt, nach dem die Koeffizienten benannt sind, das
Entstehen einer Spannung beschreibt, tritt der Peltier-Effekt durch das
Fließen eines äußeren Stromes auf. Er
tritt auf, wenn zwei Leiter mit unterschiedlicher elektrischer Wärmekapazitäten
in Kontakt gebracht werden und durch einen von außen angelegten
elektrischen Strom Elektronen aus dem einen Leiter in den anderen
fließen. Fließen niederenergetische Elektronen
in den Leiter mit den höherenergetischen Elektronen, so
geben die höherenergetischen Elektronen durch Stöße
ihrer Energie an niederenergetische Elektronen ab. Dadurch verlieren
die höherenergetischen Elektronen an Energie, was eine
Verringerung der Temperatur bedeutet. Dieser Fall liegt bei dem Übergang
von der ersten Metallschicht 4 zu der hoch dotierten Halbleiterschicht 5 sowie
bei dem Übergang von der hoch dotierten Halbleiterschicht 5 zu
dem Halbleitersubstrat 6 auf. Bei dem Übergang
von dem Halbleitersubstrat 6 in die zweite Metallschicht 7 fließt der
Strom aus dem Material mit den höherenergetischen Elektronen
in den Leiter mit niederenergetischen Elektronen, so dass die höherenergetischen Elektronen
durch Stöße ihrer Energie an niederenergetische
Elektronen abgeben, welche dadurch selbst an Energie zunehmen. Dieser
Energiezuwachs ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der
Temperatur. Während also in den Übergängen
von der ersten Metallschicht 4 zur hoch dotierten Halbleiterschicht 5 und
von der hoch dotierten Halbleiterschicht 5 zur Halbleitersubstratschicht 6 eine
Verringerung der Temperatur bewirkt wird, kommt es im Bereich der zweiten
Metallschicht 7 zu einer Erhöhung der Temperatur.
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Die
Wärme kann nun von der zweiten Metallschicht 7 wegtransportiert
werden, was aufgrund der großflächigen Ausgestaltung
verhältnismäßig einfach ist.
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Ein
Beispiel für einen Abtransport der Wärme von der
zweiten Metallschicht 7 ist in der 2 gezeigt.
Dort ist ein Kühlkörper 14 vorgesehen,
der mit der zweiten Metallschicht 7 verbunden ist. Statt
des Kühlkörpers 14 könnte auch
eine Leiterplatte vorgesehen werden, die die Wärme des
Halbleiterchips 2 auf eine großflächige
Metallfläche verteilt, von wo aus sie an die Umgebung abgegeben
werden kann.
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Zu
erwähnen ist, dass der Halbleiterchip 2 mit der
ersten Metallschicht 4 in einer vorteilhaften Ausführung
nicht direkt verbunden ist, sondern über eine dazwischen
angeordnete Goldschicht 11. Dies verbessert einerseits
den Kontakt zwischen dem Halbleiterchip 2 und der ersten
Metallschicht 4, andererseits trägt die Goldschicht 11 zur
Reflektion der in dem Halbleiterchip 2 erzeugten Strahlung
bei, so dass diese nach oben abgestrahlt werden kann, wie durch
den Pfeil in 1 angedeutet ist.
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Durch
die Integration des Halbleiterchips 2 und der nach dem
Peltier-Effekt arbeitenden Kühlanordnung 3 ist
also die Möglichkeit gegeben, die Lebensdauer und Effizienz
von Halbleiterbauelementen zu erhöhen, da es zu einer effizienten
Temperaturableitung insbesondere von Hot-Spots des Halbleiterchips
kommt.
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In
der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel
eines lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes nach der Erfindung
gezeigt, bei dem die Kühlanordnung eine Fläche
kleiner als die Chipfläche direkt kühlt. Die erste
Metallschicht 4 und evtl. die hoch dotierte Halbleiterschicht 5 sind
kleiner als der Chip und so angeordnet, dass gezielt derjenige Bereich
des Halbleiterchips gekühlt wird, in dem besonders viel Wärme erzeugt
wird. Es wird vermieden, dass die Bereiche von der Kühlung
durch die Kühlanordnung mit den Schichten 4 und 5 unmittelbar
profitieren, in denen die Temperatur ohnehin unkritisch ist. Dadurch
kommt es zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung
innerhalb des Chips, was Materialbelastungen reduziert und die Lebensdauer
erhöht.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel eines lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes
nach der Erfindung ist in der 4 gezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kühlanordnung 3 der
Strom nicht über einen zusätzlichen Anschluss
zugeführt, sondern der Halbleiterchip 2 und die
Kühlanordnung 3 sind in Reihe geschaltet. Der
Strom zur Versorgung der Chips 2 fließ also auch
durch die Kühlanordnung 3 und bewirkt dabei eine
Kühlung, wie anhand der vorhergehenden Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung durch Abwandlung der in den Ausführungsbeispielen gezeigten
Anordnungen sind möglich und von der Erfindung umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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