DE102008005935A1

DE102008005935A1 - Halbleiteranordnung sowie Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE102008005935A1
Application number: DE102008005935A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Herrmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-06-04
Also published as: WO2009067991A2; WO2009067991A3

Abstract

Eine Halbleiteranordnung mit einem Träger weist mindestens zwei flächig ausgestaltete pn-Übergnge auf, die am Träger in mindestens einer Ebene angebracht sind, so dass sich abwechselnd jeweils p- und n-Seiten verschiedener pn-Übergänge näher an der Trägeroberseite des Trägers befinden. Des Weiteren werden planare elektrische Leitungsanordnungen teilweise oberhalb und teilweise unterhalb der Ebene der pn-Übergänge angebracht. Durch eine geeignete Anordnung und Ausgestaltung von pn-Übergängen und elektrischen Leitungsanordnungen entsteht zumindest eine funktionsfähige elektrische Reihenschaltung der pn-Übergänge. Diese Anordnung ermöglicht es, eine großflächige und homogene, leuchtstarke Beleuchtungseinrichtung unkompliziert und flexibel gestaltbar aufzubauen und oftmals nötige komplexe flächige Lichtleiter zu vereinfachen oder einzusparen. Neben der Halbleiteranordnung selbst wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung beschrieben, das mit den Schritten Herstellen von pn-Übergängen, Herstellen von elektrischen Leitungsanordnungen und Anordnen der pn-Übergänge ein effizientes und kostengünstiges Produzieren der Halbleiteranordnung erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Träger und mit mindestens zwei pn-Übergängen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung.
Flächige, dünn ausgeführte Beleuchtungseinrichtungen sind aus dem heutigen Alltag in vielen Bereichen kaum mehr wegzudenken. Als einige Beispiele für die vielfältigen Anwendungen seien die Displays von Laptops, Mobiltelefonen oder MP3-Playern genannt. Zur Verbesserung der Produkte und um die Kundenfreundlichkeit zu steigern, geht das Bestreben der Technik dahin, leuchtstärkere, flächig größere und dabei dünnere Displays mit einer gleichmäßigen Leuchtverteilung zu erstellen. Dünnformatige Beleuchtungseinrichtungen finden hierbei beispielsweise für die Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristallanordnung Verwendung. Geeignete, gängige, nur wenig Platz benötigende Lichtquellen wie Leuchtdioden bzw. LEDs strahlen allerdings in der Regel punkt- oder linienförmig ab, so dass erst über flächige Lichtleiter auch eine flächige Beleuchtungseinrichtung entsteht. Oft ist dieser Zwischenschritt, einen Flächenlichtleiter zu benützen, verbunden mit zusätzlichem Aufwand und somit Kosten bei gleichzeitiger Einschränkung der Leuchtkraft.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, sowohl großflächige als auch äußerst dünne Beleuchtungseinrichtungen zu realisieren, sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Halbleiteranordnung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den nebengeordneten Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Patentansprüchen angegeben.
Eine Halbleiteranordnung mit einem Träger mit einer im wesentlichen, das heißt im Rahmen der Fertigungstoleranzen, flachen Trägeroberseite weist mindestens zwei flächig ausgestaltete pn-Übergänge auf, die am Träger in mindestens einer Ebene angebracht sind, so dass sich abwechselnd jeweils p- und n-Seiten verschiedener pn-Übergänge näher an der Trägeroberseite des Trägers befinden. Die Ladungsträgerrekombinationszonen dieser pn-Übergänge sind im wesentlichen, das heißt im Rahmen der Fertigungstoleranzen, parallel zur Trägeroberseite ausgerichtet. Des weiteren werden mindestens zu einem Teil im wesentlichen, das heißt im Rahmen der Fertigungstoleranzen, planare elektrische Leitungsanordnungen teilweise oberhalb und teilweise unterhalb der Ebene der pn-Übergänge angebracht. Die Leitungsanordnungen sind dabei im wesentlichen, das heißt im Rahmen der Fertigungstoleranzen, ebenfalls parallel zur Trägeroberseite ausgerichtet. Durch eine geeignete Anordnung und Ausgestaltung von pn-Übergängen und elektrischen Leitungsanordnungen entsteht zumindest eine funktionsfähige elektrische Reihenschaltung der pn-Übergänge. Diese Anordnung ermöglicht es, eine großflächige und homogene, leuchtstarke und äußerst dünne Beleuchtungseinrichtung unkompliziert und flexibel gestaltbar aufzubauen und oftmals nötige komplexe flächige Lichtleiter zu vereinfachen oder einzusparen.
Neben der Halbleiteranordnung selbst wird ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung beschrieben, das mit den Schritten Herstellen von pn-Übergängen, Herstellen von elektrischen Leitungsanordnungen und Anordnen der pn-Übergänge ein effizientes und kostengünstiges Produzieren der Halbleiteranordnung erlaubt.
Durch eine zweidimensionale Anordnung der pn-Übergänge innerhalb einer Ebene am Träger lassen sich besonders große Abmessungen der Anordnung erreichen. Auch ist ein unkompliziertes Platzieren der pn-Übergänge möglich.
Durch eine Anordnung der pn-Übergänge in mehreren Ebenen wird eine äußerst kompakte und lichtkräftige Schaltung gewährleistet. Auch die Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich der sich jeweils in einer Ebene befindlichen pn-Übergänge wird deutlich erhöht.
Sind die pn-Übergänge in Ebenen angeordnet, welche sich auf verschiedenen Seiten des Trägers befinden, lässt sich eine äußerste kompakte Schaltung realisieren, welche beidseitig sehr leuchtkräftig ist. Zudem sind beide Seiten des Trägers im Herstellungsverfahren leicht zugänglich.
Besondere Flexibilität ergibt sich, wenn die pn-Übergänge, welche mindestens einer Ebene einer- oder beidseits des Trägers angeordnet sind, dreidimensional, d. h. Ebenen übergreifend, verschalten sind. Durch eine solche dreidimensionale Schaltung lassen sich über einfache Herstellungsprozesse komplexe Schaltungsmuster realisieren.
Durch eine reflektierende Schicht am Träger lässt sich elektromagnetische Strahlung gezielt von oder zu den pn- Übergängen leiten. Außerdem kann eine reflektierende Schicht, insbesondere falls metallisch ausgeführt und entsprechend strukturiert, beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung der pn-Übergänge verwendet werden.
Durch das Auftragen einer Deckschicht auf mindestens einer Seite einer Ebene von pn-Übergängen wird der Schutz gegen äußere Einflüsse der Anordnung deutlich erhöht, beispielsweise gegenüber Feuchtigkeit oder mechanischer Belastung. Wird die mindestens eine Deckschicht nur zum Teil ausgeführt, bleiben weiterhin Areale der Anordnung von außen zugänglich. Über eine passende Gestaltung der Deckschicht lässt sich die Halbleiteranordnung auch an ein Gehäuse oder anderes Element nach außen anbringen.
Durch die Verwendung mindestens eines transparenten Materials für elektrische Leitungsanordnungen und/oder Deckschicht und/oder Träger kann elektromagnetische Strahlung verlustarm von bzw. zu den pn-Übergängen gelangen. Zudem lässt sich eine Halbleiteranordnung realisieren, welche z. B. im Bereich des optischen Lichts transparent ist.
Durch ein thermisch leitfähiges Material im Träger und/oder der Deckschicht lässt sich im Betrieb der pn-Übergänge anfallende thermische Leistung bzw. Abwärme effizient abführen.
Gegebenenfalls anfallende Abwärme im Betrieb der pn-Übergänge lässt sich sehr effizient in größerem Umfang abführen, sofern der Raum zwischen Träger und Deckschicht so ausgestaltet ist, dass zwischen Träger und Deckschicht das Strömen einer Kühlflüssigkeit oder eines Kühlgases möglich ist.
Durch zusätzliche Schichten, die mechanisch schützend oder elektrisch isolierend sind, erhöhen sich die Ausgestaltungsmöglichkeiten der Halbleiteranordnung. Elektrische Leitungsanordnungen können so vor Kurzschlüssen geschützt werden. Beschädigungen von empfindlichen Oberflächen werden durch geeignete Schichten verringert.
Durch pn-Übergänge, die elektromagnetische Strahlung, z. B. im sichtbaren Spektralbereich, emittieren, wird es ermöglicht, die Halbleiteranordnung insbesondere als vielseitig gestaltbare Beleuchtungseinrichtung zu verwenden.
Durch eine Ausführung der Halbleiteranordnung, die es ermöglicht, dass die elektromagnetische Strahlung nach beiden Seiten mindestens einer Ebene der pn-Übergänge hin emittiert wird, entsteht eine kompakte Beleuchtungseinrichtung, die auch zu Zwecken der Raumbeleuchtung geeignet ist. Dies gilt insbesondere, wenn Träger und/oder Deckschicht reflektierende oder transparente Schichten umfassen.
Durch diffraktive oder refraktive optische Elemente an Träger und/oder Deckschicht wird es ermöglicht, elektromagnetische Strahlung gezielt, insbesondere richtungsabhängig, von den oder an die pn-Übergänge weg- bzw. hin zu leiten. Dies ermöglicht es, die Halbleiteranordnung als einen kompakten Richtstrahler oder Richtempfänger zu verwenden.
Eine besonders kompakte und flexibel zu handhabende Anordnung entsteht, wenn die optisch diffraktiven oder refraktiven Elemente Fresnel-Zonen, Mikrolinsen, Mikrospiegel oder flächige, nano- oder mikrostrukturierte optisch wirksame Schichten sind. Solche optischen Elemente lassen sich leicht im Rahmen des Herstellungsprozesses in die Halbleiteranordnung integrieren.
Durch ein Konversionsmittel in der Halbleiteranordnung wird es ermöglicht, elektromagnetische Strahlung der pn-Übergänge in elektromagnetische Strahlung einer anderen Frequenz überzuführen. Durch das Konversionsmittel wird es insbesondere ermöglicht, blau abstrahlende LEDs zur Weißlichtbeleuchtung zu verwenden.
Durch einen Filter in der Halbleiteranordnung, der in Transmission Teile der elektromagnetischen Strahlung absorbiert und/oder nur bestimmte Farben reflektiert, wird es ermöglicht, z. B. eine schmalbandige Lichtquelle zu erhalten. Erfolgt das Filtern nur zeitweise, ist eine günstige Verwendung, beispielsweise in Signalanlagen, möglich.
Durch ein geeignetes Konversionsmittel, einen Kristall oder einen photonischen Kristall in der Halbleiteranordnung ist es möglich, gleiche oder auch verschiedene Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, welche von den pn-Übergängen emittiert werden, zu mischen. Dadurch werden, beispielsweise über Halbierung der Wellenlänge, neue Spektralbereiche, die auf herkömmliche Art nicht zugänglich sind, erreichbar.
Sind elektrische Leitungsanordnungen und pn-Übergänge derart angeordnet, dass sich eine Mehrzahl an elektrisch separat ansprechbaren Reihenschaltungen ergibt, wird die Flexibilität der Anordnung signifikant erhöht. Bestimmte, auch verschiedene Frequenzen abstrahlende pn-Übergänge oder Areale der Beleuchtungseinrichtung lassen sich dadurch gezielt ansprechen. Insbesondere lassen sich hieraus Zeilen, zweidimensionale Felder oder Anzeigeeinrichtungen auf besondere Art und Weise herstellen.
Durch eine mechanisch flexibel ausgestaltete Halbleiteranordnung lassen sich ebenfalls flexible, mechanisch biegbare Beleuchtungseinrichtungen erstellen. Dies ermöglicht eine einfache Handhabung in Fertigung als auch später vielfältige Anwendungen z. B. in flexiblen Displays.
Durch weitere Halbleiterbauelemente neben den pn-Übergängen in mindestens einer der Reihenschaltungen oder in einer separaten Reihenschaltung lassen sich Größen wie Strom, Spannung und Temperatur messen und/oder regeln. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Schaltung mit einbauen, welche die Halbleiteranordnung vor eventueller Überlastung schützen kann. Sind insbesondere Sensoren für Helligkeit integriert, so lässt sich eine Lichtquelle mit konstanter Helligkeit bzw. Abstrahlung realisieren.
Ist mindestens ein Teil der pn-Übergänge als Dünnfilm-Halbleiterbauelement ausgeführt, welche Schichtenstapel und eine selbsttragende Trägerschicht umfassen, so lassen sich besonders dünne Halbleiteranordnungen und somit Beleuchtungseinrichtungen herstellen. Durch die kompakte Bauweise können auch sehr hohe Flächenleuchtstärken realisiert werden. Die pn-Übergänge können so ausgestaltet sein, dass sie frei von einem Aufwachssubstrat sind und lediglich eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge umfassen. Bevorzugt beträgt die Dicke eines derartigen Halbleiterbauteils weniger als 100 μm, besonders bevorzugt weniger als 20 μm, beispielsweise 10 μm oder 6 μm. Solche Dünnfilm-Halbleiterbauelemente können beispielsweise wie die der Druckschrift WO 2007/016908 A1 ausgestaltet und hergestellt sein. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird hiermit bezüglich der dort beschriebenen Halbleiterchips sowie deren Herstellung durch Rückbezug mit aufgenommen.
Werden Dünnfilm-Halbleiterbauelemente als pn-Übergänge verwendet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn diese dazu geeignet sind, auf beiden Seiten elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Dadurch wird ein einfach aufgebautes, kompaktes Beleuchtungselement, beispielsweise für Raumbeleuchtungen, ermöglicht.
Beinhaltet der Herstellungsprozess der Halbleiteranordnung ein thermisches oder Laserablöseverfahren, bei dem ein aktiver Schichtenstapel von einem Aufwachssubstrat abgelöst werden kann, so sind besonders dünne pn-Übergänge herstellbar. Des Weiteren können über ein solches Ablöseverfahren bereits bestimmte Halbleiterchips oder pn-Übergänge von einem Substrat entfernt werden, so dass sich bereits beim Ablösen vom Substrat etwa eine zweidimensionale Anordnung von Halbleiterchips oder pn-Übergängen realisieren lässt.
Wird mindestens ein Teil der elektrischen Leitungsanordnungen mittels eines photo-lithographischen Verfahrens hergestellt, so lassen sich auf einfache Art und Weise die elektrischen Verbindungen in passender Geometrie anbringen. Dies erleichtert den Herstellungsprozess signifikant, da etwa ein nachträgliches Verbonden der Halbleiterbauelemente mittels Drähten unterbleiben kann. Auch komplexere Aufbauten von Schaltungen werden ermöglicht.
pn-Übergänge, die insbesondere flächig und zweidimensional angeordnet sind, werden flexibel, günstig und effizient mit einem speziellen Verfahren hergestellt. Hierbei werden zuerst ein Anschlussträgerverbund und ein Halbleiterkörperträger, auf dem sich gesonderte pn-Übergänge befinden, bereitgestellt. Anschließend werden Anschlussträgerverbund und Halbleiterkörperträger relativ zueinander so angeordnet, dass zumindest ein Teil der pn-Übergänge mit dem Anschlussträgerverbund verbunden werden kann. Daraufhin wird der soeben mit dem Anschlussträger verbundene Teil der pn-Übergänge vom Halbleiterkörperträger getrennt und der Anschlussträgerverbund je nach Erfordernissen in eine Mehrzahl von Bauelementen aufgeteilt.
Die Effizienz dieses Verfahrens ist dann besonders groß, wenn sich auf dem Anschlussträgerverbund bereits eine Anzahl von pn-Übergängen und elektrischen Leitungsanordnungen befindet, so dass sich mit den vom Halbleiterkörperträger übertragenen pn-Übergängen und elektrischen Leitungsanordnungen zumindest ein Bauelement mit mindestens einer funktionsfähigen elektrischen Reihenschaltung gemäß vorigen Beschreibungen auf dem Anschlussträgerverbund ergibt. Die Anordnung der pn-Übergänge lässt sich somit über ein Zusammensetzen zweier als Negative wirkender Träger erzeugen. Werden als pn-Übergänge Dünnfilm-Halbleiterbauelemente und als Trägermaterialien beispielsweise Folien verwendet, so ergibt sich nach Abschluss der Herstellung eine äußerst dünne Anordnung, welche flexibel gestaltet sein kann.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Halbleiteranordnung,
2 eine Seitenansicht einer Halbleiteranordnung mit einer Deckschicht,
3 eine Seitenansicht einer Anordnung mit einer reflektierenden bzw. einer Konversionsmittelschicht,
4 eine Seitenansicht einer Anordnung mit zwei Ebenen von pn-Übergängen,
5 eine Seitenansicht einer Anordnung mit mehreren Ebenen von pn-Übergängen und einem Kühlmedium,
6 die Draufsicht a) bzw. Vorderansicht b) einer Anordnung mit ringförmigen Leitungsanordnungen,
7 eine schematische Darstellung einer zweidimensionalen Anordnung von pn-Übergängen,
8 eine schematische Darstellung einer Anzeigeeinrichtung mit zwei elektrischen Reihenschaltungen.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung 1 gezeigt. Diese weist einen Träger 2 auf, der aus einer Keramik besteht und für Licht im sichtbaren Spektralbereich undurchlässig ist. Auf der Trägeroberseite 6 des Trägers 2 ist eine erste Lage flächig ausgestalteter, metallischer Leitungsanordnungen 3 aufgebracht. Auf der der Trägeroberseite 6 abgewandten Seite dieser ersten Lage von Leitungsanordnungen 3 befinden sich in einer Lage angeordnete Dioden 40, wobei die Dioden 40 dazu ausgestaltet sind, elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich zu emittieren. Eine Diode 40 besteht hierbei aus je einer flächig ausgeprägten Schicht aus einem p- und aus einem n-leitenden Gebiet, mit dem diese Gebiete verbindenden pn-Übergang 4; eine Diode 40 weist, daraus resultierend, eine Anoden- und eine Kathodenseite auf. Die Dioden 40 sind weiterhin so angeordnet, dass bei aufeinander folgenden Dioden 40 sich abwechselnd immer Anoden- bzw. Kathodenseiten näher am Träger 2 befinden. Auf der dem Träger 2 abgewandten Seite der Lage der Dioden 40 befindet sich eine weitere, zweite Lage elektrischer Leitungsanordnungen 3.
Die Leitungsanordnungen 3 beider Lagen verbinden zwei benachbarte Dioden 40 jeweils elektrisch leitend so miteinander, dass sich insgesamt eine Reihenschaltung der Dioden 40 ausbildet, wobei immer abwechselnd Anoden- und Kathodenseiten aufeinander folgender Dioden 40 miteinander verbunden sind.
Die sich zwischen Dioden 40 und Trägeroberseite 6 befindlichen Leitungsanordnungen 3 bedecken einen Großteil der Trägeroberseite 6 und wirken daher als reflektierende Schicht 5. Sie sind dabei so strukturiert, dass zwischen den Dioden 40, zusätzlich zu den durch die Reihenschaltung vorgegebenen Verbindungen, keine unerwünschten elektrischen Kontakte über die Trägeroberseite 6 auftreten. Die Leitungsanordnungen 3 der zweiten, sich in der weiter von der Trägeroberseite 6 entfernten Lage von Leitungsanordnungen 3, bedecken nur einen kleinen Anteil der ihnen zugewandten Seite der Dioden 40, so dass das von den Dioden 40 emittierte Licht weitestgehend von diesen Leitungsanordnungen 3 ungestört bleibt. Gemäß 1 sind die Leitungsanordnungen 3 seitlich über den Träger 2 hinausgeführt, so dass sie Kontaktierungen 30 bilden, die dem Anschluss nicht dargestellter externer elektrischer Leitungen dienen.
Zwischen den einzelnen Dioden 40 befinden sich horizontale Zwischenräume 9, die die Dioden 40 elektrisch voneinander isolieren. Die Zwischenräume 9 sind im Vergleich zu den Abmessungen der Dioden 40 relativ klein, um eine hochdichte Verschaltung und somit eine große Leuchtdichte zu gewährleisten.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung 1, bei der zusätzlich zum Träger 2 auch eine Deckschicht 7 angebracht ist, wobei Träger 2 und Deckschicht 7 die Dioden 40 einschließen. In diesem Ausführungsbeispiel sind Träger 2 und Deckschicht 7 transparent ausgeführt und aus einem Kunststoff gebildet. Die elektrischen Leitungsanordnungen 3 sind ebenfalls transparent ausgeführt.
Optional ist es möglich, die elektrischen Leitungsanordnungen 3 mehrstückig auszuführen, d. h. die sich mit den Dioden 40 überlappenden Teile der Leitungsanordnungen 3 sind aus einem transparenten Material wie Indiumzinnoxid ausgeführt, und die zwischen den Dioden 40 liegenden Teile der Leitungsanordnungen 3 bestehen aus dünnen Metalldrähten. Dadurch wird ein im wesentlichen transparenter, einfach herzustellender Aufbau der Halbleiteranordnung 1 ermöglicht. Sind die Dioden 40 an ihren Rändern passiviert, so können die Zwischenräumen 9 zur Isolierung entfallen und die Packungsdichte der Dioden 40 kann weiter erhöht werden.
Im Falle hoher Packungsdichten der Dioden 40 kann über ein im Träger 2 und/oder in der Deckschicht 7 enthaltenes thermisch leitfähiges Material entstehende Betriebswärme der Dioden 40 gut abgeführt werden. Da gemäß 2 die elektrischen Leitungsanordnungen 3 auf Trägeroberseite 6 und Deckschichtinnenseite 70 verteilt sind, können, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 1, auch die Leitungsanordnungen 3 auf der von der Trägeroberseite 6 abgewandten Seite der Dioden 40 so ausgeführt werden, dass die Zwischenräume 9 zwischen allen Dioden 40 deutlich vergrößert werden können. Größere Zwischenräume 9 reduzieren die thermische Belastung der Halbleiteranordnung 1 im Betrieb ebenfalls. Auch ist es möglich, weitere, z. B. elektrisch isolierende Zwischenschichten anzubringen, um etwa Kurzschlüsse zwischen Leitungsanordnungen 3 oder Kontaktierungen 30 zu unterbinden.
Sind Träger 2 und/oder Deckschicht 7 aus einem mechanisch flexiblen Material, wie etwa einer Kunststofffolie, und die Dioden 40 als ein- oder doppelseitig emittierende Dünnfilm-Halbleiterbauelemente ausgeführt, so ist die Halbleiteranordnung 1 insgesamt mechanisch flexibel. Typische Dicken von Dünnfilm-Halbleiterbauelementen liegen dabei unterhalb von 10 μm, die Gesamtdicke der Halbleiteranordnung 1 kann weniger als 100 μm betragen. Die Deckschicht 7 kann auch als Lack oder einer ähnlichen Beschichtung ausgeführt sein.
3 zeigt eine Anordnung analog zu 2, wobei auf der den Dioden 40 abgewandten Seite des Trägers 2 eine metallische, reflektierende Schicht 5 angebracht ist, und sich an der Deckschichtinnenseite 70 eine Schicht eines Konversionsmittels 8 befindet, das dazu geeignet ist, die von den Dioden 40 emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise in eine Strahlung einer anderen Frequenz zu wandeln. Die Kontaktierungen 30 sind so an zwei Außenflächen der Halbleiteranordnung 1 weiter geführt, dass das Anschließen der Halbleiteranordnung 1 etwa mit Klemmen oder Clips möglich ist.
Alternativ kann die reflektierende Schicht 5 als eine dielektrische Schichtenfolge ausgestaltet und auf der den Dioden 40 abgewandten Seite des Trägers 2 in einem vorhergehenden Herstellungsprozess angebracht worden sein. Durch eine derartige Schicht 5 ist es ermöglicht, z. B. nur einen bestimmten Spektralbereich der von den Dioden 40 emittierten Strahlung zu reflektieren. Über ein Stempel- oder Prägeverfahren ist es möglich, die Seite des Trägers 2, oder auch nur Teile davon, an der die reflektierende Schicht 5 aufgebracht wird, so zu strukturieren, dass Fresnel-Zonen oder verschiedene Mikrospiegel resultieren. Auch das Ausgestalten einer Nanostrukturierung ist möglich. Die Strukturierung kann auch so ausgeführt sein, dass sich für jede einzelne Diode 40 eine eigene strukturierte Zone ergibt.
Optional ist auch die Verwendung verschiedener Konversionsmittel 8 in unterschiedlichen Bereichen der Halbleiteranordnung 1 möglich. Im Falle einer elektrisch isolierenden Schicht eines Konversionsmittels 8 kann eine Kontaktierung 30 für in 3 nicht gezeigte externe Anschlüsse einfach zwischen der Konversionsschicht 8 und Deckschicht 7 entlang geführt werden, so dass die Kontaktierungen 30 für externe Anschlüsse sich in räumlicher Nähe an der gleichen Seite der Anordnung befinden. Da reflektierende Schicht 5 und Konversionsschicht 8 unabhängig voneinander sind, ist der Gestaltungsspielraum für diese sehr groß. Zusätzliche, auch elektrisch isolierende Schichten, die die Außenflächen der Halbleiteranordnung 1 etwa vor Verkratzen oder Feuchtigkeit schützen, sind ebenso möglich.
Das Anwendungsbeispiel gemäß 4 ist so ausgestaltet, dass sich beiderseits des Trägers 2 Leitungsanordnungen 3 und Dioden 40 befinden, welche jeweils von einer Deckschicht 7 geschützt werden, so dass sich eine äußerst kompakte und lichtstarke, nach beiden Seiten abstrahlende Beleuchtungseinrichtung ergibt. Die elektrischen Kontaktierungen 30 sind durch den Träger 2 hindurchgeführt, so dass insgesamt nur ein externer Anschluss je für Kathode und Anode notwendig ist.
Im Ausführungsbeispiel in 5 sind an der Trägeroberseite eines Trägers 2 zwei Lagen von Dioden 40 angebracht, die durch eine erste, dünne Deckschicht 7a voneinander separiert sind. Eine zweite, dazu im wesentlichen parallele Deckschicht 7b befindet sich in größerem Abstand von der Lage der Dioden 40 auf derselben Seite des Trägers 2, so dass im Freiraum zwischen Dioden 40 und zweiter Deckschicht 7b ein Kühlmedium 10 in Form eines Kühlgases oder einer Kühlflüssigkeit zirkulieren kann. Für ein effektives Zirkulieren ist eine Dicke dieses Freiraums von wenigen 100 μm erforderlich. Je nach Vereinzelungsgrad der Dioden 40 kann die erste Deckschicht 7a mit Löchern oder Perforierungen versehen sein, die ein Strömen des Kühlmediums 10 auch zur sich näher am Träger 2 befindlichen Lage der Dioden 40 ermöglichen. Dadurch, dass die Darstellung in 5 eine Schnittzeichnung ist, sind mechanische Verbindungen zwischen zweiter Deckschicht 7b und Träger 2, die zur Erläuterung der Erfindung keinen Beitrag leisten, nicht dargestellt. Weiterhin besteht keine Beschränkung auf nur zwei sich übereinander befindliche Lagen von Dioden 40, insbesondere, da über ein Kühlmedium 10 die Betriebsabwärme der dicht gepackten Dioden 40 wirkungsvoll abgeführt werden kann. Auch können die Abstände zwischen verschiedenen Deckschichten 7, und somit der für ein Kühlmedium 10 zur Verfügung stehende Raum, je nach Anforderung angepasst werden.
In 6 sind die einzelnen Dioden 40 rund ausgeführt, wobei eine rechteckige Ausführung ebenso möglich ist. Träger 2 und Deckschicht 7 bestehen aus einem transparenten Material. Die elektrischen Leitungsanordnungen 3a, 3b sind metallisch ausgeführt und bilden auf p- bzw. n-Seite der Dioden 40 jeweils eine Ringstruktur 3a. Zwischen den verschiedenen, variabel anordenbaren Dioden 40 ist eine elektrische Verbindungen über dünne Drähte 3b hergestellt. Die metallisch ausgeführten Leitungsanordnungen 3a, 3b können leicht aufgebracht und photo-lithographisch strukturiert werden, alternativ ist auch ein Aufdampfen möglich. Außerdem kann die Anzahl an notwendigen Arbeitsschritten reduziert werden. Alternativ können für die Leitungsanordnungen 3a auch Rahmenkontakte verwendet werden, das heißt, vorgefertigte Rahmen, beispielsweise aus dünnen Metalldrähten, werden auf die Dioden 40 aufgesetzt und sorgen für die Kontaktierung.
Optional können die Leitungsanordnungen 3b, die die einzelnen Dioden 40 elektrisch miteinander verbinden, sich auch auf den den Dioden 40 abgewandten Seiten von Träger 2 oder Deckschicht 7 befinden und über Durchkontaktierungen mit den Leitungsanordnungen 3b verbunden sein.
Die dünnen, metallischen Leitungsanordnungen 3 beeinträchtigen die Transparenz der Gesamtanordnung nicht signifikant. Die Kontaktierungen 30 sind als Stifte ausgeführt, die ein einfaches Anschließen der Halbleiteranordnung 1 gewährleisten.
Dienen als Träger 2 bzw. Deckschicht 7 Folien, so können diese auf einfache Art und Weise in den Zwischenräumen 9, wo sich keine Dioden 40 befinden, miteinander verklebt werden, so dass sich eine äußerst vielseitig gestaltbare Anordnung ergibt, insbesondere da aufgrund der gut leitenden, metallischen, drahtartigen und somit biegbaren Leitungsanordnungen 3b zwischen den Dioden 40 auch größere Abstände dieser zueinander realisierbar sind.
Zur mechanischen Stützung der Dioden 40, beispielsweise im Falle, dass Träger 2 oder Deckschicht 7 dünne Folien sind, kann eine Diode 40 zusätzlich eine Stützschicht umfassen, die etwa an einer Hauptseite der Diode 40 angebracht ist und die im Rahmen der Fertigungstoleranzen beispielsweise dieselbe Größe wie die Hauptseite der Diode 40 aufweist. Je nach Erfordernissen und Ausgestaltung der Stützschicht kann zwischen Stützschicht und Diode 40 etwa eine flächige, für die von der Diode 40 emittierte Strahlung reflektierend wirkende Leitungsanordnung 3 angebracht sein.
Eine matrizenähnliche Anordnung von Dioden 40 in Zeilen und Spalten ist in Draufsicht in 7 gezeigt. Hierbei sind die Zeilen jeweils als lineare Reihenschaltung realisiert, und der Wechsel zwischen den Zeilen findet am Beginn bzw. Ende der jeweiligen Zeile statt. Die Beleuchtungseinrichtung kann beidseitig Licht abstrahlen und ist transparent. Ober bzw. unterhalb der Lage der Dioden 40 befindliche Leitungsanordnungen 3 sind in 7 punktiert bzw. gestrichelt gezeichnet.
Der Träger 2 hat im Anwendungsbeispiel einen quadratischen Grundriss, wobei dies keine Einschränkung darstellt, vielfältige Formungen des Grundrisses der Halbleiteranordnung 1 sind möglich. Auch die Dioden 40 müssen nicht in einer matrizenähnlichen Struktur angeordnet sein, sondern können im wesentlichen beliebig platziert werden, solange Anoden- und Kathodenseiten innerhalb einer Reihenschaltung aufeinander folgender Dioden jeweils abwechselnd über die Leitungsanordnungen 3 kontaktiert sind. Die von den Dioden 40 abgewandte Seite der Deckschicht 7 kann mit einer klebenden Schicht versehen sein, so dass die Halbleiteranordnung 1 einfach an einer Flüssigkristallmaske angebracht werden kann. Auch ein leichtes Anbringen an in herkömmlichen Displays verwendeten Diffusoren oder Prismenfolien ist möglich. Vereinfacht wird das Anbringen dadurch, dass aufgrund der Reihenschaltung nur wenige externe elektrische Anschlüsse vonnöten sind.
8 zeigt eine zweidimensionale Anordnung von Dioden 40, die als zwei getrennte Reihenschaltungen ausgestaltet ist. Beispielsweise beinhaltet eine Reihenschaltung Dioden 40, die blaues Licht abstrahlen, und die zweite Reihenschaltung Dioden 40, die rotes Licht abstrahlen. Beide Arten von Dioden 40 befinden sich gemäß 8 in einer Lage. Beide Reihenschaltungen sind elektrisch separat ansteuerbar. Die elektrischen Leitungsanordnungen 3 und Kontaktierungen 30 sind an der Trägeroberseite 6, in 8 als punktierte Linien gezeichnet, oder an der Deckschichtinnenseite 70, als dicke Linien gezeichnet, geführt, und können sich daher prinzipiell ohne isolierende Zwischenschicht kreuzen, was den Schaltungsaufbau erleichtert.
Auch komplexere, sich über mehrere Lagen erstreckende dreidimensionale Reihenschaltungen der Dioden 40 in größerer Anzahl lassen sich gestalten. Über die verschiedenen Reihenschaltungen lässt sich etwa ein ansteuerbares Display erstellen, wobei verschiedene Zeichen oder Buchstaben etwa verschiedenen Reihenschaltungen entsprechen, welche separat ansprechbar sind und auch in verschiedenen Lagen und/oder in verschiedenen Farben übereinander angeordnet werden können.
Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen auftretenden Reihenschaltungen müssen nicht ausschließlich aus Dioden 40 aufgebaut sein. Selbstverständlich ist es möglich, weitere Halbleiterbauelemente anderer Bauart zu integrieren, entweder als separate Schaltungen oder mit den Dioden 40 in Reihe geschaltet. Im letzteren Fall kann das eine oder die mehreren Halbleiterelemente am Anfang bzw. Ende einer Schaltung oder auch in deren mittleren Bereichen angeordnet sein. Je nach Platzbedarf dieser Halbleiterbauelemente sind diese passend zu positionieren, oder Träger 2 und/oder Deckschicht 7 mit geeigneten Ausnehmungen zu versehen. Funktionen der zusätzlichen Halbleiterbauelemente sind z. B. die Messung von elektrischen Strömen bzw. Spannungen in den Schaltungen. Über eine Regelung dieser Größen über dieselben oder über andere Halbleiterbauelemente kann auch Einfluss auf etwa Temperatur oder Abstrahlhelligkeit genommen werden, so dass sich, auch in Kombination mit einem integrierten oder externen Helligkeitssensor eine Beleuchtungseinrichtung mit konstanter Helligkeit realisieren lässt. Auch eine geeignete Einrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für die Reihenschaltungen kann einbezogen werden. Betreffs Ausgestaltung der elektrischen Leitungsanordnungen 3 und Kontaktierungen 30, der Packungsdichte der Dioden 40 auf der Halbleiteranordnung 1, der Anzahl an Reihenschaltungen, der Verwendung wärmeleitfähiger, transparenter oder mechanisch flexibler Materialien sowie der Verwendung geeigneter Zwischenschichten können selbstverständlich die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Varianten miteinander kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/016908 A1 [0027]

Claims

Halbleiteranordnung (1) mit – einem Träger (2) mit einer im wesentlichen flachen Trägeroberseite (6), – mindestens zwei flächig ausgestalteten, am Träger (2) in mindestens einer Ebene ausgebildeten pn-Übergängen (4), so dass die Ladungsträgerrekombinationszone im wesentlichen parallel zur Trägeroberseite (6) ausgerichtet ist, wobei sich bei einem Teil der pn-Übergänge (4) deren p-Seite näher als die n-Seite, und bei einem Teil deren n-Seite näher als die p-Seite an der Trägeroberseite (6) befindet, und – mindestens zu einem Anteil im wesentlichen planaren und zur Trägeroberseite (6) parallelen, elektrischen Leitungsanordnungen (3), von denen sich mindestens ein Teil oberhalb und mindestens ein Teil unterhalb der Ebene befindet, wobei die Leitungsanordnungen (3) und die pn-Übergänge (4) als zumindest eine funktionsfähige elektrische Reihenschaltung ausgebildet sind.
Halbleiteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die pn-Übergänge (4) innerhalb einer Ebene in einer zweidimensionalen Anordnung am Träger (2) angebracht sind.
Halbleiteranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, die mehrere Ebenen von pn-Übergängen (4) umfasst.
Halbleiteranordnung (1) nach Anspruch 3, wobei sich die Ebenen der pn-Übergänge (4) auf verschiedenen Seiten des Trägers (2) befinden.
Halbleiteranordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei Leitungsanordnungen (3) und pn-Übergänge (4) derart angeordnet sind, dass sich mindestens eine dreidimensionale Verschaltung der pn-Übergänge (4) ergibt.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Träger (2) mindestens eine reflektierende Schicht umfasst.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei auf der der Trägeroberseite (6) gegenüberliegenden Seite mindestens einer Ebene der pn-Übergänge (4) mindestens zum Teil eine Deckschicht (7) angebracht ist.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Träger (2) und/oder die elektrischen Leitungsanordnungen (3) und/oder die Deckschicht (7) mindestens ein transparentes Material beinhalten.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei Träger (2) und/oder Deckschicht (7) mindestens ein thermisch leitfähiges Material enthalten.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Raum zwischen Träger (2) und Deckschicht (7) so ausgestaltet ist, dass darin das Strömen eines Kühlgases oder einer Kühlflüssigkeit möglich ist.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, die zusätzliche Schichten beinhaltet, welche elektrisch isolierend oder mechanisch schützend ausgeführt sind.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die pn-Übergänge (4) dazu geeignet sind, elektromagnetische Strahlung zu emittieren.
Halbleiteranordnung (1) nach Anspruch 12, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung nach beiden Seiten mindestens einer Ebene der pn-Übergänge (4) hin zu emittieren.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei Träger (2) und/oder Deckschicht (7) diffraktive oder refraktive optische Elemente umfassen.
Halbleiteranordnung (1) nach Anspruch 14, die Fresnel-Zonen, Mikrolinsen, Mikrospiegel oder flächige, nano- oder mikrostrukturierte optisch wirksame Schichten umfasst.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, die ein Konversionsmittel (8) umfasst, das die mit einer ersten Wellenlänge von den pn-Übergängen (4) emittierte elektromagnetische Strahlung in eine elektromagnetische Strahlung einer davon verschiedenen Wellenlänge konvertiert.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, die mindestens einen in Reflexion und/oder Transmission wirkenden Filter umfasst, der Wellenlängenanteile der elektromagnetischen Strahlung mindestens zeitweise mindestens zum Teil filtert.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, die mindestens ein Konversionsmittel, einen Kristall oder einen photonischen Kristall umfasst, das bzw. der dazu geeignet ist, gleiche oder auch verschiedene Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung miteinander zu mischen.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Anordnung von Leitungsanordnungen (3) und pn-Übergängen (4) derart gestaltet ist, dass sich eine Mehrzahl an elektrisch separat ansprechbaren Reihenschaltungen der pn-Übergänge (4) ergibt.
Halbleiteranordnung (1) nach Anspruch 19, wobei sich eine Zeile, ein zweidimensionales Feld oder eine Anzeigeeinrichtung ergibt.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, welche flexibel ausgestaltet ist.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, die neben den pn-Übergängen (4) weitere Halbleiterbauelemente umfasst, die zur Messung bzw. Regelung von Strom, Spannung, Temperatur und/oder Helligkeit ausgestaltet sind.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der pn-Übergänge (4) als Dünnfilm-Halbleiterbauelement mit einem Schichtenstapel und einer selbsttragenden Trägerschicht ausgestaltet ist, wobei die Trägerschicht auf dem Schichtenstapel angeordnet und ausgehärtet ist.
Halbleiteranordnung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der pn-Übergänge (4) als doppelseitig elektromagnetische Strahlung emittierendes Dünnfilm-Halbleiterbauelement ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung (1) mit den Schritten – Erstellen von pn-Übergängen (4), – Erstellen von elektrischen Leitungsanordnungen (3), und – Anordnen von pn-Übergängen (4).
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Erstellen mindestens eines Teils der pn-Übergänge (4) beinhaltet, dass diese mittels eines thermischen oder eines Laserablöseverfahrens von einem Aufwachssubstrat abgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei mindestens ein Teil der elektrischen Leitungsanordnungen (3) mittels eines photo-lithographischen Verfahrens hergestellt wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei das Anordnen der pn-Übergänge folgende Schritte beinhaltet: – Bereitstellen eines Anschlussträgerverbunds, – Bereitstellen eines Halbleiterkörperträgers, auf dem gesonderte pn-Übergänge (4) angeordnet sind, – Anordnen des Anschlussträgerverbunds und des Halbleiterkörperträgers relativ zueinander, – Verbinden von pn-Übergängen (4) mit dem Anschlussträgerverbund in einem Montagebereich und Trennen der mit dem Anschlussträgerverbund zu verbindenden oder verbundenen pn-Übergänge (4) vom Halbleiterkörperträger, – Aufteilen des Anschlussträgerverbundes in eine Mehrzahl von gesonderten Bauelementen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem sich auf dem Anschlussträgerverbund bereits eine Anzahl von pn-Übergängen (4) und elektrischen Leitungsanordnungen (3) befindet, so dass mit den mittels des Halbleiterkörperträgers übertragenen pn-Übergängen (4) und elektrischen Leitungsanordnungen (3) zumindest ein Bauelement mit mindestens einer funktionsfähigen elektrischen Reihenschaltung auf dem Anschlussträgerverbund ausgebildet wird.