DE102011087887A1

DE102011087887A1 - Leuchtdiodenanordnung

Info

Publication number: DE102011087887A1
Application number: DE102011087887A
Authority: DE
Inventors: Jörg Sorg; Axel Kaltenbacher; Andreas Biebersdorf
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-13
Also published as: KR20140106652A; US20140367708A1; WO2013083819A1

Abstract

Es wird eine Leuchtdiodenanordnung (100) bereitgestellt, welche aufweist: eine erste Schichtstruktur (102), welche mindestens eine Leuchtdiode (108) aufweist, mindestens eine zweite Schichtstruktur (104), welche mindestens eine Leuchtdiode (108) aufweist, wobei die mindestens eine zweite Schichtstruktur (104) auf der ersten Schichtstruktur (102) angeordnet ist.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine Leuchtdiodenanordnung.
Durch den Einsatz moderner Lichtmittel, beispielsweise LEDs (light emitting diodes – lichtemittierende Dioden), werden heutzutage zunehmend übliche Leuchtmittel vom Markt verdrängt. Es gibt zum Beispiel Anwendungen, wie etwa die Einkopplung von Licht in Lichtleiter für die Medizintechnik, für die möglichst viel Licht aus möglichst kleiner Fläche erzeugt werden soll. Für diese Anwendungen werden üblicherweise Lichtbogenlampen verwendet. Problematisch ist jedoch hierbei, dass sich der Lichtbogen bewegen kann und überdies auf Lichtbogen basierende Lichtmittel nicht sehr langlebig sind.
Die Verwendbarkeit von LED-basierten Beleuchtungsmitteln für beispielsweise die oben erwähnten Anwendungen kann unter anderem durch die begrenzte Leuchtdichte der LEDs beschränkt sein. Bei der üblich angenommenen Design-Regel von Leiterplatten oder Metallkern-Platinen betragen die Abstände zwischen den Dioden ca. mindestens 75°µm. Durch diese Randbedingung ist also meist die maximale Leuchtdichte einer LED-Lichtquelle durch die maximale Leuchtdichte des LED-Chips dominiert. Da Einzelchips nur mit bestimmten Abständen kostengünstig aufgebaut werden können, typischerweise etwa 75 µm bis 100 µm bei Dünnfilm-LEDs oder bis etwa 1 mm bei Saphir-Leuchtdioden, ist es sinnvoll, große Chips zu verbauen. Diesem Trend sind allerdings enge Grenzen gesetzt. Diese sind beispielsweise dadurch bedingt, dass Wafer technologisch eine bestimmte Defektdichte aufweisen. Die angestrebten großen Chips müssen auf dem Wafer zwischen den Defekten platziert werden. Damit wird die nutzbare Fläche auf den Wafern stark reduziert. In Abhängigkeit von der Defektdichte ergibt sich daraus eine ökonomisch sinnvolle Maximalgröße der LED-Chips. Aktuell liegt diese Grenze im Bereich zwischen 1 mm² und 2 mm².
Soll noch mehr Licht aus noch kleineren Flächen erzeugt werden, so stoßen die heutzutage verfügbaren LED-basierten Beleuchtungsmittel an ihre technologischen Grenzen.
Folglich wäre eine LED-Lichtquelle wünschenswert, welche eine möglichst hohe Leuchtdichte aufweist.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Leuchtdiodenanordnung bereitgestellt, welche aufweist: eine erste Schichtstruktur, welche mindestens eine Leuchtdiode aufweist, mindestens eine zweite Schichtstruktur, welche mindestens eine Leuchtdiode aufweist, wobei die mindestens eine zweite Schichtstruktur auf der ersten Schichtstruktur angeordnet ist. Hierbei können weitere zweite Schichtstrukturen auf der mindestens einen zweiten Schichtstruktur angeordnet sein. Die erste Schichtstruktur kann strukturell wie die mindestens eine zweite Schicht aufgebaut sein. Unter der Schichtstruktur kann eine Anordnung diverser Materialschichten verstanden werden, in der nebeneinander angeordnete Leuchtdioden vorliegen. Jede Schichtstruktur kann Füllmaterialien sowie weitere funktionale Schichten enthalten, wie etwa entsprechende elektrische Verbindungs- bzw. Verdrahtungsschichten, die nachfolgend genauer beschrieben werden, mittels welcher die Leuchtdioden innerhalb der jeweiligen Schichtstruktur miteinander verbunden sein können. Die elektrischen Verbindungen innerhalb einer Schichtstruktur können am Rand der Schichtstruktur zur elektrischen Ankontaktierung freigelegt sein, so dass beispielsweise auf zwei gegenüberliegenden Rändern der Schichtstruktur je ein Kontakt vorliegt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann die erste Schichtstruktur mehrere Leuchtdioden aufweisen. Ebenfalls kann die mindestens eine zweite Schichtstruktur mehrere Leuchtdioden aufweisen. Die Leuchtdioden in der jeweiligen Schichtstruktur können beispielsweise in einer Feldgeometrie vorliegen, welche, beispielsweise in Zeilen und Spalten angeordneten, LEDs aufweist. Bei den LEDs kann es sich um LED-Chips oder aber auch um mit einem Gehäuse oder versehene LED-Chips bzw. versiegelte LED-Chips handeln. Bei Vorliegen der LEDs als LED-Chips, welche beispielsweise epitaktisch gebildet werden können, kann die Dicke der Epitaxie-Schichten, welche die Leuchtdiode ausbilden, in etwa beispielsweise 5 µm betragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann die mindestens eine Leuchtdiode oder die mehreren Leuchtdioden innerhalb der ersten Schichtstruktur und/oder innerhalb der zweiten Schichtstruktur auf einem Träger angeordnet sein. Der Träger kann transluzent oder transparent sein und er kann beispielsweise als transluzentes oder transparentes Trägersubstrat für die darauf angeordneten Leuchtdioden fungieren, welche beispielsweise auch epitaktisch auf dem Trägersubstrat ausgebildet werden können.
Unter dem Begriff „transluzent“ bzw. „transluzenter Träger“ (oder auch „transluzente Schicht“ oder „transluzentes Material“) kann in verschiedenen Ausführungsformen verstanden werden, dass der Träger für Licht durchlässig ist, beispielsweise für das von der mindestens einen Leuchtdiode der ersten Schichtstruktur und/oder der mindestens einen zweiten Schichtstruktur erzeugte Licht, beispielsweise einer oder mehrerer Wellenlängenbereiche, beispielsweise für Licht in einem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts (beispielsweise zumindest in einem Teilbereich des Wellenlängenbereichs von 380 nm bis 780 nm). Beispielsweise ist unter dem Begriff „transluzenter Träger“ in verschiedenen Ausführungsformen zu verstehen, dass im Wesentlichen die gesamte in den Träger eintretende Lichtmenge auch aus diesem wieder heraustritt, wobei ein Teil des Lichts hierbei gestreut werden kann, wodurch beispielsweise durch den Träger eine gezielte Lichtumverteilung bereitgestellt werden kann, so dass beispielsweise der Träger der über einer jeweiligen Schichtstruktur liegenden Schichtstruktur verwendet werden kann, um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik in Bezug auf das Lichts der darunter liegenden Schichtstruktur einzustellen. Dadurch kann beispielsweise die Abstrahlcharakteristik des durch die Leuchtdiodenanordnung abgestrahlten Lichts eingestellt werden.
Unter dem Begriff „transparent“ oder „transparente Schicht“ (oder auch „transparente Schicht“ oder „transparentes Material“) kann in verschiedenen Ausführungsformen verstanden werden, dass der Träger für Licht durchlässig ist (beispielsweise zumindest in einem Teilbereich des Wellenlängenbereichs von 380 nm bis 780 nm), wobei in den Träger eintretendes Licht im Wesentlichen ohne Streuung oder Lichtkonversion auch aus dem Träger wieder heraustritt. Somit ist „transparent“ in verschiedenen Ausführungsformen als ein Spezialfall von „transluzent“ anzusehen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann der Träger ein transparentes Substrat sein oder aufweisen, welches eine für das Aufwachsen epitaktischer Schichten geeignete Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann der Träger ein Saphir-Substrat aufweisen oder sein. Ferner kann der Träger auch Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Galliumarsenid aufweisen. Das Saphir-Substrat kann eine Dicke aufweisen im Bereich von 50 µm bis 2 mm, beispielsweise in einem Bereich von 50 µm bis 500 µm, beispielsweise in einem Bereich von 80 µm bis 250 µm, beispielsweise in einem Bereich von 100 µm bis 150 µm. Jedenfalls kann das Saphir-Substrat eine genügend große Dicke aufweisen, so dass beispielsweise beim Übereinanderstapeln und Verkleben der Schichtstrukturen ein zur Zusammenfügung der Schichtstrukturen verwendeter Klebstoff nicht hochkriecht. Wegen seiner im Vergleich zu beispielsweise üblichen Silizium-Substraten höheren Wärmeleitfähigkeit ermöglicht die Verwendung von Saphir als Substratmaterial einen besseren Wärmeabtransport von den Leuchtdioden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann ein Raumbereich (anders ausgedrückt ein Volumen) zwischen den mehreren Leuchtdioden in der jeweiligen Schichtstruktur mit einem Material aufgefüllt sein. Der Raumbereich kann beispielsweise jeweils Bereiche um die mehreren auf dem Träger angeordneten Leuchtdioden aufweisen und sich jeweils bis zur Oberkante bzw. der Licht abstrahlenden Oberfläche der Leuchtdioden erstrecken. Das Material kann sozusagen als eine Füllmatrix angesehen werden, welche die mindestens eine Leuchtdiode der jeweiligen Schichtstruktur umgeben kann und die sonst leeren Raumbereiche zwischen den Leuchtdioden einer Schichtstruktur so ausfüllen kann, dass diese eine Plattenform annimmt. Das in den Raumbereich eingefüllte Material kann dabei transluzent oder transparent sein. Ferner kann das Material ein Licht konvertierendes Material aufweisen, also etwa einen Leuchtstoff, welcher über den Mechanismus der Fluoreszenz oder Phosphoreszenz oder einer Mischung daraus in der Lage ist, zumindest teilweise die Wellenlänge des von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahltes Licht in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann in der ersten Schichtstruktur und/oder in der mindestens einen zweiten Schichtstruktur eine dem Träger abgewandte Oberfläche der mindestens einen Leuchtdiode und die Oberfläche des aufgefüllten Materials eine plane Oberfläche ausbilden. Bei der dem Träger abgewandten Oberfläche der mindestens einen Leuchtdiode kann es sich dabei um eine der Flächen handeln, durch welche das von der Leuchtdiode erzeuget Licht diese verlässt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann die Leuchtdiodenanordnung eine quaderförmige Struktur aufweisen. So können beispielsweise die einzelnen Schichtstrukturen, also beispielsweise die erste Schichtstruktur sowie die mindestens eine zweite Schichtstruktur jeweils eine Plattenform bzw. Quaderform aufweisen, so dass sie übereinander angeordnet bzw. gestapelt insgesamt ebenfalls eine Quaderstruktur aufweisen. Selbstverständlich kann die Anzahl der einzelnen Schichtstrukturen in der Leuchtdiodenanordnung drei, vier, fünf, sechs oder mehr betragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann von der mindestens einen Leuchtdiode der ersten Schichtstruktur emittiertes Licht und/oder von der mindestens einen Leuchtdiode der mindestens einen zweiten Schichtstruktur emittiertes Licht an mindestens einer Seitenfläche der Leuchtdiodenanordnung auskoppelbar sein. Im Falle, dass die Leuchtdiodenanordnung quaderförmig ist, kann prinzipiell jede der Seitenflächen zur Auskopplung des Lichts verwendet werden. Wie oben erwähnt, kann die Lichtabstrahlcharakteristik auch mittels der Träger angepasst werden, so dass beispielsweise ein Großteil des von den Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung emittierten Lichts diese über eine Stirnfläche nach vorne verlässt, d.h. im Wesentlichen senkrecht zu jeder der Ebenen der Schichtstrukturen. Ferner können auch optische Elemente wie etwa Linsen, Mikrolinsen, Prismen oder spiegelnde Elemente zwischen den Schichtstrukturen bzw. in den Schichtstrukturen angeordnet sein, welche den Lichtweg des von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlten Lichts nach Bedarf anpassen Dadurch kann die Lichtabstrahlcharakteristik der Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen nach Bedarf angepasst werden. Generell kann mit der Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Leuchtdioden-Lichtquelle bereitgestellt werden, bei der eine omnidirektionale Lichtabstrahlung möglich ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann mindestens eine Seitenfläche der Leuchtdiodenanordnung mit einem Licht reflektierenden Material beschichtet sein. Bei den Materialien kann es sich um an sich übliche optisch reflektierende Materialien wie Silber oder Aluminium handeln. Durch Anbringen eines reflektierenden Materials auf mindestens eine Seitenfläche der Leuchtdiodenanordnung kann gezielt die Lichtabstrahlcharakteristik der Leuchtdiodenanordnung angepasst werden. Beispielsweise kann durch Verspiegeln aller Seitenwände der Leuchtdiodenanordnung erreicht werden, dass Licht hauptsächlich über die Stirnfläche der Leuchtdiodenanordnung austritt, wobei unter Stirnfläche der Leuchtdiodenanordnung die Oberfläche gemeint ist, welche parallel zu den Schichtstrukturen verläuft. Dadurch kann die Leuchtdichte der Stirnfläche maximiert werden. Ferner können auch die Träger beim optischen Auslegen der Leuchtdiodenanordnung einbezogen werden und beispielsweise mit Linseneffekten versehen werden, so dass im Zusammenspiel mit Reflexionsbeschichtungen an mindestens einer Seitenfläche der Leuchtdiodenanordnung eine gewünschte Leuchtdichte und/oder eine gewünschte Lichtabstrahlcharakteristik gegeben ist. Es kann auch durch Bereitstellen von TiO₂ in Silikon diffuse Reflexion innerhalb der Leuchtdiodenanordnung erreicht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung können die mehreren Leuchtdioden der ersten Schichtstruktur und/oder die mehreren Leuchtdioden der zweiten Schichtstruktur mittels Bonddrähten miteinander verbunden sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung können die mehreren Leuchtdioden der ersten Schichtstruktur und/oder die mehreren Leuchtdioden der mindestens einen zweiten Schichtstruktur mittels einer auf der planen Oberfläche angeordneten Verdrahtungsschicht miteinander verbunden sein. Die Verdrahtungsschicht kann beispielsweise als funktionale Schicht nach Auffüllen des Raumbereichs zwischen den mehreren Leuchtdioden in der jeweiligen Schichtstruktur mit dem Auffüllmaterial ausgebildet werden. Gegebenenfalls können davor noch Kontaktflächen der Leuchtdioden freigelegt werden, sofern sie von dem Material bedeckt sind.
Alternativ können gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung die mehreren Leuchtdioden der ersten Schichtstruktur und/oder die mehreren Leuchtdioden der mindestens einen zweiten Schichtstruktur auch mittels einer auf dem Träger angeordneten Verdrahtungsschicht miteinander verbunden sein. In diesem Fall können die Leuchtdioden der jeweiligen Schichtstruktur mittels der Flip-Chip(Wende-Chip)-Montagetechnik montiert werden, d.h. die Leuchtdiode kann direkt mit ihrer aktiven Kontaktierungsseite bzw. ihren Kontaktflächen nach unten, also zum Träger bzw. zu der auf dem Träger angeordneten Verdrahtungsschicht hin, montiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann die Verdrahtungsschicht als eine strukturierte Metallschicht ausgebildet sein. Zunächst kann eine Metallschicht aufgebracht werden und nachfolgend entsprechend strukturiert werden, um eine leitende Verbindung zwischen den Leuchtdioden der jeweiligen Schichtstruktur bereitzustellen. Dabei können die Kontakte bzw. Kontaktflächen der Leuchtdioden mit der Verdrahtungsschicht in Kontakt stehen. Die Kontakte bzw. Kontaktflächen der Leuchtdioden können übliche leitfähige Materialien aufweisen, beispielsweise eine Schichtabfolge aus Titan und Kupfer, Titankupfer, Kupfer, Silber, Aluminium oder auch Kombinationen der eben genannten Stoffe. Die Verdrahtungsschicht, welche im Falle der Flip-Chip Montagetechnik als RDL (redistribution layer – Umverteilungsebene) bezeichnet wird, kann klassische Materialien wie Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und/oder Gold aufweisen. Kupfer hat als Material in verschiedenen Ausführungsformen den Vorteil, dass es ein guter Wärmeleiter und auch zugleich ein guter Stromleiter ist. Silber und Aluminium können beispielsweise verwendet werden, wenn die Strom führenden Verbindungen bzw. Leiterzüge reflektierend sein sollen, da diese Materialien im optischen Wellenlängenbereich reflektierend sind und dadurch beispielsweise der Strahlengang des von den Leuchtdioden emittierten Lichts beeinflusst werden kann. Leiterzüge aus Silber oder Aluminium können in verschiedenen Ausführungsformen mittels (transparenter) Schutzschichten vor Korrosion geschützt werden, welche durch Schwefel oder Wasser herbeigeführt werden kann. Ferner können zwischen den Kontaktstellen der jeweiligen Leuchtdiode und der Verdrahtungsschicht Sperrschichten bereitgestellt werden, welche eine Migration von Metallen über die Grenzfläche zwischen dem jeweiligen Leuchtdiodenkontakt und der Verdrahtungsschicht verhindern. Generell kann die Verdrahtung in einem Front-End-Fertigungsschritt oder alternativ in einem Back-End-Fertigungsschritt ausgebildet werden. Beispielsweise kann im ersten Fall die Verdrahtungsschicht mittels Aufdampfens von einem leitenden Material, wie etwa Gold oder Silber, ausgebildet werden. Je nachdem, ob die Verdrahtungsschicht auf dem Träger oder auf der Oberseite der Leuchtdioden bereitgestellt ist, können danach oder davor die Leuchtdioden epitaktisch ausgebildet werden. Das Ausbilden der Verdrahtungsschicht in einem Back-End-Prozess kann den Vorteil haben, dass so gegebenenfalls defekte Leuchtdioden von vornherein überbrückt werden können, indem die Strukturierung der Verdrahtungsschicht an die Ausbeute der Anordnung, d.h. den Anteil und/oder die Verteilung funktionsfähiger Leuchtdioden in der jeweiligen Anordnung, angepasst wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung können die mehreren Leuchtdioden der ersten Schichtstruktur und/oder die mehreren Leuchtdioden der mindestens einen zweiten Schichtstruktur in einer Reihenschaltung verschaltet sein. Die Leuchtdioden innerhalb der jeweiligen Schichtstruktur können in einer rasterartigen Anordnung vorliegen, also etwa in Spalten und Zeilen. Die elektrische Verbindung der Leuchtdioden in der jeweiligen Schichtstruktur kann mittels der Bonddrähte, der Verdrahtungsebene oder mittels der Leuchtdioden der unmittelbar benachbarten Schichtstruktur erfolgen, wie bereits oben erwähnt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung können die mehreren Leuchtdioden der jeweiligen Schichtstruktur in Bezug auf die mehreren Leuchtdioden der unmittelbar darunter oder darüber angeordneten Schichtstruktur um eine halbe Leuchtdiodenstruktur lateral gegeneinander verschoben sein.
Des weiteren können gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung die Kontakte bzw. Kontaktflächen der mindestens einen Leuchtdiode in der jeweiligen Schichtstruktur Kontaktflächen der mindestens einen Leuchtdiode der unmittelbar darunter oder darüber angeordneten Schichtstruktur zugewendet sein. Dieses kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn auf eine Verdrahtungsschicht oder Bonddrähte verzichtet wird und die elektrische Verbindung der Leuchtdioden der jeweiligen Schichtstruktur mittels der Leuchtdioden der unmittelbar benachbarten Schichtstruktur erfolgt. Die unmittelbar benachbarte Schichtstruktur kann dann Leuchtdioden aufweisen, welche lateral gegen die Leuchtdioden der unmittelbar darunter oder darüber liegenden Schichtstruktur versetzt oder verschoben sind, beispielsweise um eine halbe Leuchtdiodenstruktur. Die Leuchtdiodenkontakte der Leuchtdioden in den zwei benachbarten Schichtstrukturen können einander zugewendet vorliegen, so dass alternierend je eine Leuchtdiode der oberen und unteren Schichtstruktur als elektrische Verbindung für zwei darunter oder darüber liegende Leuchtdioden fungiert. Am Ende einer jeweiligen Leuchtdiodenreihe kann eine Kontaktbrücke verwendet werden, um einen elektrischen Kontakt zur anderen Zeile bzw. Reihe von Leuchtdioden in der jeweiligen Schichtstruktur herzustellen. Mit anderen Worten können gemäß verschiedenen Ausführungsformen die mehreren Leuchtdioden der jeweiligen Schichtstruktur mittels der mehreren Leuchtdioden der unmittelbar darunter oder darüber liegenden Schichtstruktur miteinander verbunden sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann die mindestens eine Leuchtdiode der ersten Schichtstruktur und die mindestens eine Leuchtdiode der mindestens einen zweiten Schichtstruktur miteinander parallel verschaltet sein. Es können auch pro Schichtstruktur mehrere Leuchtdioden vorliegen, wobei beispielsweise Gruppen von Leuchtdioden aus je einer Schichtstruktur miteinander parallel verschaltet sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann die mindestens eine Leuchtdiode der ersten Schichtstruktur und die mindestens eine Leuchtdiode der mindestens einen zweiten Schichtstruktur unabhängig voneinander ansteuerbar sein. Es können auch pro Schichtstruktur mehrere Leuchtdioden vorliegen, wobei die Leuchtdioden der jeweiligen Schichtstruktur unabhängig voneinander ansteuerbar sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung kann die mindestens eine Leuchtdiode der ersten Schichtstruktur und die mindestens eine Leuchtdiode der mindestens einen zweiten Schichtstruktur zum Abstrahlen von Licht voneinander verschiedener Wellenlängen eingerichtet sein. Alternativ können die mehreren Leuchtdioden innerhalb der jeweiligen Schichtstruktur zum Abstrahlen von Licht voneinander verschiedener Wellenlängen eingerichtet sein.
Mit anderen Worten können Leuchtdioden, welche Licht voneinander verschiedener Wellenlänge emittieren, in beliebigen Kombinationen innerhalb einer Schichtstruktur sowie auch über die verschiedenen Schichtstrukturen hinweg angeordnet sein. Beispielsweise können auf der ersten Schichtstruktur gleichfarbige Leuchtdioden bereitgestellt sein, wobei sich jedoch die Wellenlänge des emittierten Lichts von der Wellenlänge des Lichts unterscheidet, welches von Leuchtdioden emittiert wird, welche in der mindestens einen zweiten Schichtstruktur bereitgestellt sind. Es können aber auch innerhalb einer Schichtstruktur Leuchtdioden bereitgestellt sein, welche Licht voneinander unterschiedlicher Farben abstrahlen. Durch Bereitstellen von verschiedenfarbigen Leuchtdioden in den Schichtstrukturen lassen sich so beliebige Farbkombinationen und/oder verschiedene Farbmuster des von der Leuchtdiodenanordnung erzeugten Lichts erzeugen. Beispielsweise kann auf diese Art und Weise in besonders kompakter Weise ein Pixel hergestellt werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Leuchtdiodenanordnung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einer Querschnittsansicht;
2 eine erste Schichtstruktur der Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einer Querschnittsansicht;
3 eine erste und eine zweite Schichtstruktur einer Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einer perspektivischen Seitenansicht;
4 eine aus der in 3 dargestellten ersten und zweiten Schichtstruktur aufgebaute Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einer perspektivischen Seitenansicht;
5 eine Draufsicht auf eine Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit zwei Schichtstrukturen;
6 eine Leuchtdiodenanordnung mit acht Schichtstrukturen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einer perspektivischen Seitenansicht
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispiele in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Generell kann es sich in verschiedenen Ausführungsbeispielen um eine Leuchtdiodenanordnung handeln, welche eine dreidimensionale Struktur aufweisen kann, beispielsweise in Form eines Leuchtdiodenquaders (oder eines Leuchtdiodenwürfels), bei dem das durch die Leuchtdioden erzeugte Licht aus mindestens einer Oberfläche bzw. Seite des Leuchtdiodenquaders ausgekoppelt werden kann. Die Oberflächen, welche nicht zur Auskopplung von Licht verwendet werden, können zum Beispiel zur elektrischen Ankontaktierung und/oder zur Wärmeableitung und/oder zum Anschluss eines Temperaturmanagement-Systems verwendet werden und/oder sie können beispielsweise mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen bzw. verspiegelt sein.
In 1 ist eine Leuchtdiodenanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. In dem dargestellten Beispiel weist die Leuchtdiodenanordnung 100 eine erste Schichtstruktur 102 und eine zweite Schichtstruktur 104. Selbstverständlich kann die Leuchtanordnung 100 mehr als die zwei dargestellten Schichtstrukturen aufweisen, also beispielsweise eine erste Schichtstruktur 102 und zwei, drei, vier oder eine andere Anzahl von zweiten Schichtstrukturen 104. Jede der Schichtstrukturen weist mindestens eine Leuchtdiode 108 auf, beispielsweise eine Saphir-Leuchtdiode. Genauer gesagt sind in dem Ausführungsbeispiel je drei Leuchtdioden 108 pro Schichtstruktur vorhanden. Jede der Leuchtdioden 108 kann zwei Kontaktflächen bzw. Kontakte 110 aufweisen, welche zur elektrischen Ankontaktierung verwendet werden. Die Kontakte 110 der Leuchtdioden 108 innerhalb einer Schichtstruktur, also etwa die hier beispielsweise drei dargestellten Leuchtdioden 108 der ersten Schichtstruktur 102, können elektrisch mittels Bonddrähten 112 miteinander verbunden sein, welche eine Kontaktierebene ausbilden können. Alternativ kann auch eine plane metallische Verdrahtungsschicht, beispielsweise eine strukturierte, plane Metallschicht, als Kontaktierebene verwendet werden, mittels welcher die entsprechenden Kontakte 110 der Leuchtdioden 108 einer Schichtstruktur miteinander elektrisch verbunden sein können. Ein Raumbereich 114 zwischen den Leuchtdioden 108 der jeweiligen Schichtstruktur kann ferner mit einem Material aufgefüllt sein, beispielsweise einem transluzenten oder transparenten Material wie etwa Silikon, Glas, glasgefülltem Silikon, Saphir und/oder einem anderen wärmeleitfähigen, transluzenten oder transparenten Material. Zusätzlich kann das in dem Raumbereich 114 bereitgestellte Material auch Licht konvertierende Materialien und/oder Licht konvertierende Elemente enthalten oder aus diesen bestehen. Die Größe bzw. die Ausdehnung des Raumbereiches 114 richtet sich dabei primär nach dem Abstand der Leuchtdioden 108 voneinander, welcher nach Bedarf und/oder nach verlangter Abstrahlcharakteristik angepasst werden kann. Generell können die Abstände der Leuchtdioden 108 voneinander innerhalb der jeweiligen Schichtstruktur unterschiedlich sein, beispielsweise in Anpassung an die geforderte Leuchtdichte und Lichtabstrahlcharakteristik der Leuchtdiodenanordnung 100. Das Material kann so in den Raumbereich 114 eingefüllt sein, dass eine mit der Oberkante der planen Kontaktierebene abschließende, glatte Oberfläche 116 gebildet wird. In 1 ist ferner eine Halteschicht 106 gezeigt, welche verwendet werden kann, um die erste Schichtstruktur 102 auszubilden. Die Halteschicht 106 kann eine Thermo-Release(Ablöse)Folie aufweisen oder sein, auf welcher die Leuchtdioden 108 der ersten Schichtstruktur zunächst angeordnet werden können. Alternativ zur Thermo-Release-Folie kann beispielsweise auch eine Teflonfolie oder eine funktional ähnliche Oberfläche verwendet werden, von der sich die erste Schichtstruktur 102 wieder entfernen lässt.
Nach Auffüllen des freiliegenden Raumbereiches 114 mit dem Material und Ausbilden der Kontaktierebene ist die erste Schichtstruktur 102 stabil genug, so dass beispielsweise die Thermo-Release-Folie durch thermische Einwirkung abgelöst werden kann. Beim Ausbilden der mindestens einen zweiten Schichtstruktur 104 kann auf den Einsatz einer Halteschicht 106 verzichtet werden, da die mindestens eine zweite Schichtstruktur 104 auf der Oberfläche 116 der ersten Schichtstruktur 104 ausgebildet werden kann, beispielsweise indem die Leuchtdioden 108 der mindestens einen zweiten Schichtstruktur 104 auf die fertig ausgebildete erste Schichtstruktur 102 aufgeklebt werden. Die mindestens eine zweite Schichtstruktur 104 kann im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die erste Schichtstruktur 102 aufweisen, deshalb wird hier nicht weiter auf den Aufbau der mindestens einen zweiten Schichtstruktur 104 eingegangen. Jedoch kann die mindestens eine zweite Schichtstruktur 104 beispielsweise eine andere Art der Verdrahtungsebene (also etwa Bonddrähte 112 oder die strukturierte, plane Metallschicht, wie oben erwähnt) oder andere Abstände zwischen den Leuchtdioden 108 aufweisen. Ferner können auch noch über der einen zweiten Schichtstruktur 104 weitere Schichtstrukturen vorliegen.
Wie in 1 dargestellt, können die Leuchtdioden 108 der beiden dargestellten Schichtstrukturen gegeneinander lateral verschoben sein, d.h. derart angeordnet sein, dass beispielsweise die Leuchtdioden 108 der zweiten Schichtstruktur 104 im Wesentlichen über Bereichen der ersten Schichtstruktur 102 angeordnet sind, in denen sich größtenteils das aufgefüllte Material befindet.
In einer Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Leuchtdiodenanordnung 100 kann eine wechselnde Schichtrichtung der Leuchtdioden 108 in den jeweiligen Schichtstrukturen vorliegen. Mit anderen Worten können dann die Kontakte 110 von je zwei benachbarten Schichtstrukturen, also beispielsweise die Kontakte 110 der Leuchtdioden 108 der ersten Schichtstruktur 102 und die Kontakte 110 der Leuchtdioden 108 der zweiten Schichtstruktur 104, einander zugewendet vorliegen. Dadurch lässt sich beispielsweise ein größeres Volumen innerhalb der Leuchtdiodenvorrichtung 100 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele erreichen, in dem keine (absorbierende) Kontaktgeometrie vorhanden ist.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schichtstruktur 200 dargestellt, beispielsweise der ersten Schichtstruktur 102 oder der zweiten Schichtstruktur 104 aus 1. In 2 ist nur eine einzige Leuchtdiode 210 dargestellt, da hier nur das Prinzip einer Möglichkeit verdeutlicht werden soll, wie die in 1 dargestellte Leuchtdiodenanordnung 100 abgewandelt werden kann.
Anstatt eine Leuchtdiode mit den Kontaktseiten nach oben anzuordnen, kann die Leuchtdiode auch, wie in 2 gezeigt, mittels der Flip-Chip-Montagetechnik mit ihren Kontaktseiten 208 zu einem Träger 202 hin zugewendet angeordnet sein. In 2 ist die Leuchtdiode 210 vor der Anbringung auf den Träger 202 dargestellt. Auf dem Träger 202 kann eine Verdrahtungsschicht 204 bereitgestellt sein, mittels welcher die Leuchtdioden einer Schichtstruktur miteinander elektrisch verbunden sein können. Nach dem Anbringen der Leuchtdiode 210 auf den Träger 202 ist eine feste Verbindung zwischen den Kontakten 208 der Leuchtdiode und Bumps (Unterkontakte) 206 der Verdrahtungsschicht 204 gegeben.
Ausgehend von dem in 2 dargestellten Ansatz kann also eine Leuchtdiodenvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aufgebaut werden, indem Flip-Chip-Leuchtdioden in einem engen Raster auf eine plane Kontaktierverdrahtung (beispielsweise RDL) 204 aufgebracht werden, welche sich auf dem Träger 202 befinden kann. Eine auf solche Art und Weise hergestellte Schichtstruktur 200 kann dann übereinander gestapelt zu einer Leuchtdiodenvorrichtung in Analogie zu der in 1 dargestellten Leuchtdiodenvorrichtung 100 aufgebaut werden.
Das Aufbringen der Leuchtdiode 210 auf den Träger 202 kann beispielsweise mittels Thermosonic-Bonden (Thermoschall-Verkleben) erfolgen. Dazu kann die Leuchtdiode 210 Stud(Bolzen)-Bumps oder andere Bumps (wie z.B. galvanisch erzeugte Bumps) an ihren Kontaktstellen 208 aufweisen. Alternativ können die Bumps aber auch auf der Kontaktierebene erzeugt werden, also auf der Verdrahtungsschicht 204, wie in 2 dargestellt. Dazu können auf der planen Umverdrahtungsebene (RDL) 204 an den Kontaktierstellen mittels galvanischer Verfahren Bumps aufgewachsen werden, auf die dann der Leuchtdiodenchip 210 direkt gebondet werden kann.
Das heißt, ein Bestückkopf, welcher den Leuchtdiodenchip 210 bei der Montage hält, kann Kraft und Ultraschall in Richtung eines in 2 dargestellten Pfeils 212 ausüben und kann dadurch so zwischen den Kontaktflächen oder Kontakten 208 einer Leuchtdiode 210 und den jeweiligen Bumps 206 eine Reibschweißverbindung ausbilden. Dabei kann sich die Umverdrahtungsebene 204 der ersten Schichtstruktur auf einem transparenten Träger 202 oder einem temporären Träger befinden, welcher nach Fertigstellung der ersten Schichtstruktur werden kann.
Nach Aufbringen der Leuchtdioden, beispielsweise Saphir-Leuchtdioden, auf den Träger 202 der ersten Schichtstruktur 200 mittels der Flip-Chip-Montagetechnik, können die Spalte bzw. der Raumbereich zwischen den Leuchtdioden (sofern vorhanden) mit dem transluzenten oder transparenten Material aufgefüllt werden, um eine plane Oberfläche zu erzeugen. Auf der Rückseitenoberfläche, also der dem Träger 202 abgewandten Oberfläche der Leuchtdioden 210, der Leuchtdioden können nun erneut eine plane Umverdrahtungsebene und optional Bumps aufgalvanisiert werden oder Stud-Bumps erzeugt werden. Auf diese Weise lässt sich durch Stapeln von Schichtstrukturen eine dreidimensionale Leuchtdiodenstruktur, beispielsweise ein Flip-Chip-Saphir-Leuchtdiodenwürfel oder -Quader erzeugen.
Die Kontakte 208 der jeweiligen Leuchtdiode 210 können seitlich bis an einen Rand des Leuchtdiodenchips bzw. der Leuchtdiode geführt werden und anschließend mittels leitender Strukturen, welche durch Sputtern und Fototechnik gebildet werden können, umverdrahtet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Leuchtdiodenanordnung kann diese auch durch Aufeinanderstapeln von Schichtstrukturen aufgebaut werden, wobei die Schichtstrukturen jeweils abwechselnd mit den Kontakten nach oben angeordnete Leuchtdioden und mit den Konten nach unten angeordnete Leuchtdioden, beispielsweise Flip-Chip-Leuchtdioden, aufweisen können. So kann beispielsweise die erste Schichtstruktur der ersten Schichtstruktur 102 aus 1 entsprechen, die mindestens eine zweite Schichtstruktur kann einer gemäß 2 aufgebauten Schichtstruktur 200 entsprechen. Bei einer solchen Anordnung sind somit die Kontakte der einen Schicht, beispielsweise der ersten Schichtstruktur, den Kontakten der zweiten Schicht zugewendet, beispielsweise der mindestens einen zweiten Schichtstruktur. Auch in diesem Fall können die Leuchtdioden der einen Schichtstruktur gegenüber den Leuchtdioden der anderen Schichtstruktur um eine halbe Leuchtdiodenstruktur verschoben sein, wodurch dann beispielsweise die mindestens eine zweite Schichtstruktur verwendet werden kann, um elektrische Brückenkontakte zwischen den Leuchtdioden der ersten Schichtstruktur bereitzustellen. Selbstverständlich bilden dann im Umkehrschluss die Leuchtdioden der ersten Schichtstruktur elektrische Brückenkontakte für die Leuchtdioden der mindestens einen zweiten Schichtstruktur. Auf den eben beschriebenen zwei Schichtstrukturen können weitere Paare aus je zwei mit Kontakten einander zugewandten Schichtstrukturen angeordnet sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Leuchtdiodenanordnung kann die Schichtstruktur auch dadurch hergestellt werden, dass eine Epitaxieschicht auf einem transparenten Träger bzw. Trägersubstrat ausgebildet wird. Der Träger, welcher auch als Wafer ausgebildet sein kann, kann beispielsweise Glas oder Saphir aufweisen oder daraus bestehen. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann unter einem Wafer bzw. Substrat eine Materialunterlage verstanden werden, auf welcher eine Schicht epitaktisch ausgebildet werden kann. Die durch Epitaxie gebildete Schicht kann anschließend vom Substrat abgelöst werden und auf eine andere Materialunterlage, beispielsweise einen Träger, aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufkleben. Das Substrat kann monokristallines Material sein oder aufeisen, der Träger kann hingegen polykristallin oder amorph sein. Die Umverdrahtungsschicht kann vor epitaktischer Ausbildung der Leuchtdioden auf dem gesamten Träger ausgebildet werden. Wenn der Träger als Wafer ausgebildet ist, so kann bei der Herstellung der Schichtstruktur die Umverdrahtungsschicht auf Waferlevel ausgebildet werden. Bei einem Träger, der kein Wafer ist, kann die Umverdrahtungsschicht jeweils einzeln auf der Oberfläche ausgebildet werden, auf welcher dann die Leuchtdioden ausgebildet werden, wobei die Umverdrahtung bis an eine Kante bzw. einen Rand des Trägers reichen kann. Die Umverdrahtungsschicht kann in Form eines planen strukturierten Metalllayers (Metallschicht) vorliegen. Auf diese Weise hergestellte Schichtstrukturen können dann übereinander gestapelt werden (in Analogie zu der in 1 gezeigten Leuchtdiodenanordnung 100) und miteinander mittels Klebstoff, beispielsweise einem transluzenten oder transparenten Kleber, zusammengefügt werden. Falls die Umverdrahtungsschicht nach erfolgter Herstellung der Schichtstruktur nicht bis zur Kante des Trägers reicht, können Kontakte beispielsweise durch Sägen freigelegt werden.
Alternativ kann auch ein Laser verwendet werden, um dort Öffnungen in der Seitenfläche der jeweiligen Schichtstruktur bereitzustellen, wo die Verdrahtungsschicht noch nicht freiliegt, aber Kontaktstellen zur Ankontaktierung der Verdrahtungsschicht von Außen gewünscht sind. Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Schichtstrukturen in dem die Leuchtdiodenanordnung ausbildenden Stapel der Schichtstrukturen kann somit über Randkontakte der jeweiligen Schichtstruktur erfolgen. Alternativ können auch Durchkontaktierungen in den Wafern verwendet werden, um die jeweiligen Schichtstrukturen elektrisch zu kontaktieren.
Weitere Ausführungsbeispiele der Leuchtdiodenvorrichtung können Epitaxieschichten auf transluzenten oder transparenten Folien umfassen. Zur Ausbildung einer Schichtstruktur können hierbei die Leuchtdioden auf einer dünnen, flexiblen Materialschicht bzw. Folie angeordnet oder darin eingebettet werden, welche transluzent oder transparent sein kann. Die Dünnschichtfolien können dann aufeinander laminiert werden, um einen Volumenkörper zu erhalten.
In 3 ist eine erste Schichtstruktur 304 und eine zweite Schichtstruktur 302 einer Leuchtdiodenanordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einer perspektivischen Seitenansicht dargestellt. In dieser Darstellung sind zur Verdeutlichung die beiden Schichtstrukturen voneinander getrennt dargestellt. 4 zeigt dieselben Schichtstrukturen wie 3, jedoch sind diese in 4 zusammengefügt dargestellt. Es sei nochmals betont, dass trotz der wörtlichen Abgrenzung zwischen der ersten und der (mindestens einen) zweiten Schichtstruktur zwischen diesen kein Unterschied bestehen muss, es kann sich dabei um funktional gleich aufgebaute Schichtstrukturen handeln. Für gewöhnlich kann die Herstellung der Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit der ersten Schichtstruktur beginnen.
Sowohl bei der ersten Schichtstruktur 302 wie auch bei der mindestens einen zweiten Schichtstruktur 304 in 3 kann es sich um Wafer oder Wafersegmente mit darauf ausgebildeten Leuchtdioden 306 handeln, welche zu dreidimensionalen Strukturen in Form von Schichtstrukturstapeln zusammengefügt werden können. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel können je zwei Substrate mit darauf epitaktisch ausgebildeten Leuchtdioden direkt als Wafersegmente zusammengefügt werden, wobei ihre Oberseiten einander zugewendet sind. Dadurch kann ein Verkleben und Vereinzeln der Leuchtdiodenchips eingespart werden. Alternativ können die Wafersegmente „Kunstwafer“ sein, d.h. Segmente, welche aus einzelnen, beispielsweise miteinander verklebten Leuchtdioden zusammengesetzt sind. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung 300 sind auf jedem Wafer 316, welcher als Träger fungiert, neun Leuchtdioden 306 angeordnet in drei Zeilen (Spalten) mit je drei Leuchtdioden 306 pro Reihe (Zeile). Diese Anordnung stellt eine von vielen Möglichkeiten dar, wie die Leuchtdioden 306 auf einem Wafer oder Wafersegment 316 angeordnet werden können und ist nicht restriktiv zu sehen. Jede Leuchtdiode 306 weist zwei Kontakte 308 auf, über welche sie mit Strom versorgt werden kann. Die drei Zeilen von je drei Leuchtdioden 306 der ersten Schichtstruktur 304 und der zweiten Schichtstruktur 302 sind gegeneinander um eine halbe Leuchtdiodenstruktur verschoben bzw. versetzt, so dass beim Zusammenfügen der beiden Schichtstrukturen auf eine Verdrahtungsebene verzichtet werden kann, da die drei in je einer Zeile angeordneten Leuchtdioden 306 der ersten Schichtstruktur 304 mittels der drei in je einer Zeilen angeordneten Leuchtdioden 306 der zweiten Schichtstruktur 302 (und umgekehrt) miteinander verbunden sein können. In diesem Ausführungsbeispiel sind alle Leuchtdioden 306 einer Schichtstruktur in einer Reihenschaltung verschaltet. Um am Rand einer Schichtstruktur von einer Zeile in die nächste zu gelangen, kann dort ein Brückenkontakt 310 angeordnet sein. Anders ausgedrückt können die Brückenkontakte 310 verwendet werden, um die Verschaltung der Leuchtdioden 306 zu schließen. Ferner können Außenkontakte 312 am Rand der Schichtstruktur bereitgestellt sein, so dass die Schichtstruktur von Außen elektrisch ankontaktierbar ist. Diese können als seitlich nach außen geführte Brückenkontakte ausgebildet sein. Die Brückenkontakte 310 sowie die Außenkontakte 312 können übliche metallische, gut Strom leitende Materialien wie Kupfer, Aluminium, Silber, Nickel, Gold oder beliebige Legierungen daraus aufweisen. Durch Zusammenfügen bzw. Aneinanderfügen der ersten Schichtstruktur 302 und der zweiten Schichtstruktur 304 zu der in 4 gezeigten Struktur entstehen leere Zwischenräume um die Leuchtdioden 306 rum aufgrund der Tatsche, dass die die Leuchtdioden 306 ausbildende Epitaxieschicht für gewöhnlich eine Dicke von ca. 5 µm aufweisen kann. Ferner können die Kontakte 308 eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 10 µm aufweisen. Der Abstand der einander zugewendeten Oberflächen der Träger 316 zueinander, also eine maximale Höhe des Raumbereichs bzw. des Zwischenraumes, kann in einem Bereich von einigen wenigen Mikrometern bis 100 µm liegen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 µm bis ungefähr 40 µm liegen. Die Zwischenräume bilden einen leeren Raumbereich, der mit dem transluzenten oder transparenten und wärmeleitfähigen Material 314 aufgefüllt werden kann. Das Auffüllmaterial 314 kann den Zusammenhalt der beiden Schichtstrukturen verstärken. Ferner kann das Material mit transparenten Füllern wie SiO₂, Al₂O₃ oder anderen Materialien, deren Brechungsindex ungefähr im Bereich des Substrats 316 und des Auffüllmaterials 314 liegt, versehen sein, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern und den CTE-(coefficient of thermal expansion – Wärmeausdehnungskoeffizient)Mismatch (Diskrepanz) zwischen dem Auffüllmaterial 314 und den epitaktisch gebildeten Leuchtdioden 306 zu verringern. Um den Wärmeabtransport zu erhöhen, kann das Auffüllmaterial 314 auch porös sein, um einen Durchfluss eines Fluids zu ermöglichen, so dass effektiv der Raumbereich von einem transluzenten oder transparenten Kühlfluid, beispielsweise Silikonöl, durchströmt werden kann und so mehr Wärme von den Leuchtdioden 306 abgeführt werden kann. In dem Raumbereich bzw. durch die Zwischenräume hindurch kann aber auch gezielt ein Kanalsystem bereitgestellt sein, durch welches ein Kühlfluid strömen kann. Ferner können Licht konvertierende Schichten in den Zwischenräumen und/oder über den nicht mit Kontakten 306 bedeckten Oberflächen der Leuchtdioden 306 bereitgestellt sein.
In 5 ist das Prinzip der Verschaltung der Leuchtdioden 306 in dem in 4 dargestellten zusammengefügten Schichtstrukturenpaar verdeutlicht, welches eine Leuchtdiodenvorrichtung 500 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ausbilden kann. Zwischen je zwei benachbarten Leuchtdioden 306 in jeder Zeile der ersten Schichtstruktur 304 wird eine elektrische Verbindung 502 mittels der darüberliegenden Leuchtdiode der zweiten Schichtstruktur bereitgestellt. Dadurch kann die lichtundurchlässige Knotaktfläche auf ein Minimum reduziert werden und es kann eine besonders kompakte Anordnung der Leuchtdioden 306 in der Leuchtdiodenanordnung 500 erreicht werden. Die Reihenschaltung der Leuchtdioden 306 kann mittels der Außenkontakte 312 mit Strom versorgt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiodenanordnung 600 ist in 6 dargestellt. Die Leuchtdiodenanordnung 600 kann aus mehreren Strukturen 400 gemäß 3 und 4 aufgebaut werden. In dem gegebenen Beispiel sind vier Paare von Schichtstrukturen 400 zusammengefügt bzw. übereinander gestapelt. In jedem Paar von Schichtstrukturen können die Leuchtdioden jeweils in Reihe verschaltet sein, wie bereits in 5 erläutert. An den Seiten der Leuchtdiodenanordnung 600 können Stromleitungen 602 angeordnet sein, welche mit den jeweiligen Außenkontakten der Schichtstrukturen in elektrischer Verbindung stehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die sechs Schichtstrukturen alle parallel verschaltet.
Durch das Übereinanderstapeln von Schichtstrukturen können so viele Epitaxie-Lagen, welche Leuchtdiodenchips oder Leuchtdioden ausbilden, auf engstem Raum zu einer Lichtquelle kombiniert werden. Eine sinnvolle Anzahl von Schichtstrukturen in einer Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird beispielsweise durch die Transparenz der Träger(substrate), der Epitaxie-Schichten Layer und/oder durch die internen Reflexionsverluste an den Kontakten bzw. Kontaktflächen bestimmt.
Mit der beschriebenen Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können beispielsweise dreidimensionale Pixel für Darstellungsanwendungen bereitgestellt werden. So kann ein Pixel drei Schichtstrukturen aufweisen, wobei auf jeder eine Leuchtdiode einer anderen Grundfarbe angeordnet sein kann, also etwa eine grüne Leuchtdiode auf der ersten Schichtstruktur, eine blaue Leuchtdiode auf der zweiten Schichtstruktur und eine rote Leuchtdiode auf der dritten Schichtstruktur. Bei individueller Ansteuerung der drei Schichtstrukturen können so beliebige Farbkombinationen erzeugt werden. Durch das Aufeinanderstapeln der drei Leuchtdioden kann eine besonders kompakte Pixeleinheit gebildet werden.
Mithilfe der Leuchtdiodenanordnung, von welcher vorangehend einige Ausführungsbeispiele aufgezeigt worden sind, können Leuchtdichten erzielt werden, die deutlich über der Leuchtdichte der (des) einzelnen Leuchtdiode(nchips) liegen. Die Erzielung einer höheren Leuchtdichte beruht hierbei auf dem Grundgedanken, dass in einem Volumen eine größere Lichtmenge erzeugt werden kann als in einer Fläche. Durch Anordnen von Leuchtdioden in einem dreidimensionalen Gebilde kann somit die bisher üblicherweise erreichte Quotient aus maximaler Lichtmenge pro Fläche übertroffen werden, da die Lichtmenge zwar über eine Fläche abgestrahlt werden kann, aber im Volumen erzeugt werden kann. Damit können Leuchtdiodenanordnungen geschaffen werden, bei denen die Leuchtdichte der Leuchtdioden(chip)oberfläche deutlich überschritten wird. Ferner kann mit der Leuchtdiodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Leuchtdioden-Lichtquelle bereitgestellt werden, bei der die Lichtabstrahlung omnidirektional ist.

Claims

Leuchtdiodenanordnung (100), aufweisend: • eine erste Schichtstruktur (102), welche mindestens eine Leuchtdiode (108) aufweist, • mindestens eine zweite Schichtstruktur (104), welche mindestens eine Leuchtdiode (108) aufweist, • wobei die mindestens eine zweite Schichtstruktur (104) auf der ersten Schichtstruktur (102) angeordnet ist.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schichtstruktur (102) mehrere Leuchtdioden (108) aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine zweite Schichtstruktur (104) mehrere Leuchtdioden (108) aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die mehreren Leuchtdioden (108) innerhalb der ersten Schichtstruktur (102) und/oder der zweiten Schichtstruktur (104) auf einem transluzenten Träger (202) angeordnet sind.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei Leuchtdioden (108) innerhalb der ersten Schichtstruktur (102) und/oder der zweiten Schichtstruktur (104) auf einem transparenten Träger (202) angeordnet sind.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der Träger (202) ein transparentes Substrat ist, welches eine für das Aufwachsen epitaktischer Schichten geeignete Oberfläche aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei ein Raumbereich (114) zwischen den mehreren Leuchtdioden in der jeweiligen Schichtstruktur mit einem Material aufgefüllt ist.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei von der mindestens einen Leuchtdiode (108) der ersten Schichtstruktur (102) emittiertes Licht und/oder von der mindestens einen Leuchtdiode (108) der mindestens einen zweiten Schichtstruktur (104) emittiertes Licht an mindestens einer Seitenfläche der Leuchtdiodenanordnung (100) auskoppelbar ist.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eine Seitenfläche der Leuchtdiodenanordnung (100) mit einem Licht reflektierenden Material beschichtet ist.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die mehreren Leuchtdioden (108) der ersten Schichtstruktur (102) und/oder die mehreren Leuchtdioden (108) der mindestens einen zweiten Schichtstruktur (104) in einer Reihenschaltung verschaltet sind.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß Anspruch 1 bis 10, wobei Kontaktflächen (110) der mindestens einen Leuchtdiode (108) in der jeweiligen Schichtstruktur Kontaktflächen (110) der mindestens einen Leuchtdiode (108) der unmittelbar darunter oder darüber angeordneten Schichtstruktur zugewendet sind.
Leuchtdiodenanordnung (100) gemäß Anspruch 11, wobei die mehreren Leuchtdioden (108) der jeweiligen Schichtstruktur mittels der mehreren Leuchtdioden (108) der unmittelbar darunter oder darüber liegenden Schichtstruktur miteinander verbunden sind.