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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, insbesondere eine LED, mit einem Konverterelement.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement mit Konverterelement den Anteil auskoppelbarer Strahlung zu erhöhen, oder die Effizienz eines solchen Halbleiterbauelements zu steigern.
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Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das optoelektronische Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterchip zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge und ein Konverterelement zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Wellenlänge mittels der von dem Halbleiterchip erzeugten Strahlung auf, wobei die zweite Wellenlänge größer als die erste Wellenlänge ist. Weiterhin weist das optoelektronische Halbleiterbauelement eine optische Komponente auf, die auf einer von dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konverterelements angeordnet ist. Die optische Komponente umfasst ein Substrat, das auf einer von dem Konverterelement abgewandten Seite mit einer Antireflexschicht versehen ist.
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Die Antireflexschicht begünstigt den Übergang der von dem Konverterelement erzeugten Strahlung nach außen. Somit wird eine wesentlich höhere Strahlungsauskopplung als bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen der eingangs genannten Art erzielt.
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Die von dem Konverterelement erzeugte Strahlung wird im Folgenden auch als konvertierte Strahlung bezeichnet. Unter der von dem Halbleiterchip erzeugten Strahlung ist im Folgenden die von dem Halbleiterchip, beispielsweise einer aktiven Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips, unmittelbar erzeugte Strahlung zu verstehen.
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Bei einer Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist das Substrat der optischen Komponente auf einer dem Konverterelement zugewandten Seite mit einer Filterschicht versehen. Die Filterschicht kann insbesondere dafür vorgesehen sein, bei der aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelten Strahlung den Anteil der von dem Halbleiterchip erzeugten Strahlung zu vermindern. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass mittels der Filterschicht der Anteil der konvertierten Strahlung an der insgesamt aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement ausgekoppelten Strahlung vergrößert wird, oder sogar, dass die aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement ausgekoppelte Strahlung im Wesentlichen aus konvertierter Strahlung besteht.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Filterschicht derart ausgebildet, dass die von dem Halbleiterchip erzeugte Strahlung reflektiert wird. Trifft diese reflektierte Strahlung auf das Konverterelement, so kann dadurch konvertierte Strahlung erzeugt werden. In der Folge steigt der Anteil der auskoppelbaren konvertierten Strahlung, so dass insgesamt die Konversionseffizienz erhöht wird. Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist das Substrat der optischen Komponente eine Glasplatte, vorzugsweise eine transparente oder transluzente Glasplatte. Derartige Glasplatten sind kostengünstig herzustellen und zu verarbeiten. Insbesondere lassen sich Glasplatten mittels herkömmlicher Beschichtungsverfahren mit einer Antireflexions- beziehungsweise Filterschicht versehen.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist das optoelektronische Halbleiterbauelement zur Vollkonversion der von dem Halbleiterchip erzeugten Strahlung vorgesehen. Dies bedeutet, dass das Halbleiterbauelement im Wesentlichen konvertierte Strahlung abstrahlt, und dementsprechend eine Auskopplung der von dem Halbleiterchip erzeugten Strahlung vermieden wird. Unter Vollkonversion ist insbesondere zu verstehen, dass bei der aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement ausgekoppelten Strahlung der Anteil der konvertierten Strahlung größer oder gleich 90%, bevorzugt größer oder gleich 95%, besonders bevorzugt größer oder gleich 99% ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements erzeugt der Halbleiterchip Strahlung im blauen oder ultravioletten Spektralbereich, bevorzugt zwischen 400 nm und 460 nm, weiter bevorzugt zwischen 430 nm und 450 nm. Eine Anregung mit derartiger Strahlung ist insbesondere zur Erzeugung konvertierter Strahlung im sichtbaren Spektralbereich vorteilhaft.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die optische Komponente mittels einer Klebeschicht auf dem Konverterelement angebracht. Vorzugsweise enthält die Klebeschicht ein Silikon oder besteht aus einem Silikon. Klebstoffe auf Silikon-Basis zeichnen sich durch eine hohe Strahlungsstabilität, insbesondere im blauen und ultravioletten Spektralbereich, sowie eine hohe thermische Stabilität aus.
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Die Klebeschicht befindet sich zweckmäßigerweise zwischen der optischen Komponente und dem Konverterelement. Der Brechungsindex des Konverterelements ist bei dieser Ausgestaltung bevorzugt größer als der Brechungsindex der Klebeschicht, und der Brechungsindex der Klebeschicht ist weiter bevorzugt größer als der Brechungsindex des Substrats der optischen Komponente.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind der Halbleiterchip und das Konverterelement in einer Aussparung eines Gehäuses angeordnet und in eine Vergussmasse eingebettet, so dass die Vergussmasse mit dem Konverterelement eine ebene Oberfläche bildet. Die optische Komponente ist auf dieser Oberfläche angeordnet.
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Bevorzugt enthält die Vergussmasse TiO2. TiO2 zeichnet sich durch eine hohe Reflektivität aus. Hierdurch wird erreicht, dass seitlich in Richtung der Vergussmasse abgestrahlte Strahlungsanteile reflektiert und zumindest teilweise nutzbar gemacht werden, anstatt beispielsweise in der Vergussmasse oder dem Gehäuse durch Absorption verlorenzugehen.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements liegt die optische Komponente randseitig zumindest teilweise auf einer Oberfläche des Gehäuses auf. Diese Oberfläche kann durch die Gehäuseoberseite oder auch eine innerhalb der Aussparung geformte Auflagefläche ausgebildet sein. Durch die randseitige Auflage wird verhindert, dass von außen auf die optische Komponente einwirkender Druck auf das Konverterelement und/oder den Halbleiterchip übertragen wird und zu einer Schädigung des Konverterelements und/oder des Halbleiterchips führen kann. Die optische Komponente wirkt hierbei zusätzlich als mechanischer Schutz für das Konverterelement und/oder den Halbleiterchip.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das Konverterelement mindestens einen Leuchtstoff zur Erzeugung konvertierter Strahlung auf, wobei der Leuchtstoff auf oder in einer keramischen Schicht angeordnet ist oder eine keramische Schicht bildet. Vorzugsweise ist dabei das Konverterelement eine keramische Schicht, die aus dem Leuchtstoff besteht. Derartige keramische Konverterelemente weisen eine vorteilhaft hohe Strahlungsstabilität sowie eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Damit wird eine effiziente Entwärmung des Leuchtstoffs ermöglicht, die insbesondere bei hohen Konversionsgraden wie etwa bei der Vollkonversion von Vorteil ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die durchschnittliche Dicke des Konverterelements, gemessen von der dem Halbleiterchip zugewandten Seite zu der von dem Halbleiterchip abgewandten Seite kleiner oder gleich 250 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 150 µm, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 100 µm, oder sogar kleiner oder gleich 50 µm.
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Aufgrund der oben genannten gesteigerten Konversionseffizienz kann die Dicke des Konverterelements, insbesondere eines keramischen Konverterelements, vorteilhaft gering gehalten werden. Mit anderen Worten kann das Konverterlement aufgrund der Filterschicht dünner ausgeführt werden als bei einem vergleichbaren Bauelemenet ohne Filterschicht. Hiermit kann weitergehend eine Verringerung von Absorptionsverlusten in dem Konverterelement erzielt werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements kann der Leuchtstoff beispielsweise durch eines der folgenden Materialien gebildet sein oder eines der folgenden Materialien umfassen: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Sialone.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist der Halbleiterchip eine Epitaxieschichtenfolge, also eine epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge, auf.
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Die Halbleiterschichtenfolge kann auf der Basis von InGaAlN ausgebildet sein. Unter InGaAlN-basierte Halbleiterschichtenfolgen fallen insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterialsystem InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis auf InGaAlN aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich und besonders bevorzugt in einem blauen Wellenlängenbereich emittieren.
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Weiterhin kann der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InGaAlP aufweisen. Das bedeutet, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterialsystem InxAlyGa1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten Wellenlängenbereich emittieren.
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Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten des optoelektronischen Halbleiterbauelements ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 und 2. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit einem Konverterelement, und
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit einem Konverterelement.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit einem Konverterelement. Ein Halbleiterchip 1 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ist auf einer für Strahlungsemission vorgesehenen Seite mit einem Konverterelement 2 versehen. Das Konverterelement 2 ist hierbei als Konverterplatte ausgebildet und auf den Halbleiterchip aufgebracht. Beispielsweise kann das Konverterelement 2 als Keramikkonverter mit einer mindestens einen Leuchtstoff enthaltenden keramischen Schicht ausgebildet sein. Das Konverterelement 2 erzeugt mittels der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung konvertierte Strahlung, deren Wellenlänge größer ist als die Wellenlänge der von dem Halbleiterchip 1 erzeugten Strahlung.
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Eine optische Komponente mit einem Substrat 3, das zum Beispiel eine transparente Glasplatte sein kann, ist auf der von dem Halbleiterchip 1 abgewandten Seite des Konverterelements 2 angeordnet. Das Substrat 3 der optischen Komponente ist auf der von dem Konverterelement 2 abgewandten Seite mit einer Antireflexschicht 4 versehen. Bevorzugt ist wie in 1 dargestellt auf der dem Konverterelement 2 zugewandten Seite auf das Substrat 3 eine Filterschicht 5 aufgebracht. Alternativ kann auch das Substrat nur mit einer Filterschicht 5 versehen sein, die auf einer der beiden Seiten angeordnet ist. Die Filterschicht kann beispielsweise als dielektrische Schicht oder dielektrische Schichtenfolge ausgebildet sein.
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Die Filterschicht 5 kann generell genutzt werden, um das Spektrum der aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelten Strahlung zu verändern, indem nicht gewünschte Anteile des Spektrums herausgefiltert werden. So kann mittels der Filterschicht 5 die Auskopplung der von dem Halbleiterchip 1 emittierten Strahlung gemindert werden, so dass bei der von dem Halbleiterbauelement insgesamt emittierten Strahlung der relative Anteil an konvertierter Strahlung erhöht wird. Insbesondere bei einer Anregung des Konverterelements 2 mit einer von dem Halbleiterchip 1 erzeugten Strahlung im sichtbaren, beispielsweise blauen Spektralbereich und einer konvertierten Strahlung im sichtbaren Spektralbereich kann eine unbeabsichtigte Abstrahlung der von dem Halbleiterchip 1 erzeugten Strahlung unterdrückt und damit eine Verfälschung des Farbeindrucks der konvertierten Strahlung vermieden werden.
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Vorzugsweise wird mittels der Filterschicht 5 von dem Halbleiterchip 1 emittierte Strahlung selektiv reflektiert, so dass sie zumindest teilweise auf das Konverterelement 2 trifft. Es wird hiermit statt einer unerwünschten Auskopplung dieses Strahlungsanteils vermehrt konvertierte Strahlung erzeugt und insgesamt die Konversionseffizient erhöht. Die Erhöhung der Konversionseffizienz erlaubt den Einsatz vergleichsweise dünner Konverterelemente 2, wodurch eine unerwünschte Reabsorption von konvertierter Strahlung in dem Konverterelement verringert und die Strahlungsausbeute bei dem optoelektronischen Bauelement vorteilhaft gesteigert wird.
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Das optoelektronische Halbleiterbauelement eignet sich insbesondere für Vollkonversion, so dass großteils konvertierte Strahlung aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelt wird. Für Vollkonversion im sichtbaren Spektralbereich kann beispielsweise ein Halbleiterchip mit einer Emission im ultravioletten oder blauen Spektralbereich verwendet werden. Dies kann beispielsweise ein Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von InGaAlN sein. Als Konverterelement wird vorzugsweise ein keramisches Konverterplättchen, die auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, verwendet. Als Leuchtstoff eignen sich insbesondere mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Siliziumnitride sowie mit Metallen der seltenen Erden dotierte Sialone.
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Für eine Vollkonversion in den grünen Spektralbereich kann als effizienter Leuchtstoff beispielsweise ein Cer-dotiertes Lutetiumaluminiumgranat (LuAG) verwendet werden.
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Bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement kann die optische Komponente mittels einer Klebeschicht 6, zum Beispiel aus Silikon oder auf der Basis eines Silikons, auf dem Konverterelement 2 angebracht sein. Vorzugsweise besitzt die Klebeschicht 6 einen höheren Brechungsindex als das Substrat 3 der optischen Komponente und einen niedrigeren Brechungsindex als das Konverterelement 2. Mit der Anordnung der Antireflexschicht 4 und gegebenenfalls einer geeignet gewählten Klebeschicht 6 wird erreicht, dass der Übergang der Strahlung aus dem Konverterelement 2 nach außen verbessert und so der Wirkungsgrad des optoelektronischen Halbleiterbauelements vergrößert wird. Experimentell wurde für einen Halbleiterchip auf Nitrid-Basis in Verbindung mit einem keramischen Konverterelement enthaltend ein Cer-dotiertes Lutetiumaluminiumgranat als Leuchtstoff bei Vollkonversion eine Steigerung der Ausbeute an konvertierter Strahlung von 16% erzielt. Die Dicke des keramischen Konverterelements betrug hierbei 150 µm.
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Bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement befinden sich der Halbleiterchip 1 und das Konverterelement 2 vorzugsweise in einer Aussparung 16 eines Gehäuses 7 und können in eine Vergussmasse 8 eingebettet sein. Weiter bevorzugt enthält die Vergussmasse TiO2.
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Die Vergussmasse 8 füllt die Aussparung 16 des Gehäuses 7 und bildet mit dem Konverterelement 2 eine vorzugsweise ebene Oberfläche 9, auf der in diesem Ausführungsbeispiel die optische Komponente 3 angeordnet ist.
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Für den elektrischen Anschluss kann zum Beispiel auf der Vorderseite des Halbleiterchips 1 ein von dem Konverterelement 2 nicht überdeckter Anschlusskontakt 12 über einen Bonddraht 13 mit einer an dem Boden der Aussparung 16 angeordneten Kontaktfläche 15 verbunden sein. Ein weiterer Anschlusskontakt an der Rückseite des Halbleiterchips 1 kann direkt auf einer weiteren Kontaktfläche 14 am Boden der Aussparung 16 angebracht sein. Der elektrische Anschluss des Halbleiterchips 1 kann aber auch auf andere Weise erfolgen und ist nicht durch die Anordnung der Antireflexschicht 4 oder der Filterschicht 5 bedingt.
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Die 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit einem Konverterelement. Die Ausführungsbeispiele gemäß den 1 und 2 weisen einander entsprechende Elemente auf, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist die optische Komponente mit dem Substrat 3 gemeinsam mit dem optoelektronischen Halbleiterchip 1 und dem Konverterelement 2 in einer Aussparung 16 eines Gehäuses 7 angeordnet. Das Substrat 3 der optischen Komponente ist auf der von dem Konverterelement 2 abgewandten Seite mit einer Antireflexschicht 4 versehen und kann unabhängig davon auf der dem Konverterelement 2 zugewandten Seite mit einer Filterschicht 5 versehen sein. Die Filterschicht 5 kann als dielektrische Schicht oder Schichtenfolge ausgebildet sein, die weitergehend selektiv die von dem Halbleiterchip 1 erzeugte elektromagnetische Strahlung reflektiert.
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Eine Vergussmasse 8 füllt die Aussparung 16 und bildet mit dem Konverterelement 2 eine vorzugsweise ebene Oberfläche 10, auf der die optische Komponente, zum Beispiel mittels der Klebeschicht 6, befestigt ist, so dass die Antireflexschicht 4 bündig mit der Oberseite 11 des Gehäuses 7 abschließt.
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Randseitig liegt die optische Komponente mittels innerhalb der Aussparung 16 ausgeformter Vorsprünge auf einer Auflagefläche des Gehäuses auf. Dadurch wird vermieden, dass ein von außen auf die optische Komponente wirkender Druck auf das Konverterelement 2 und den Halbleiterchip 1 übertragen wird und zu eine Schädigung des Konverterelements 2 beziehungsweise des Halbleiterchips 1 führt. Somit wirkt die optische Komponente vorteilhafterweise zugleich als mechanischer Schutz für das Konverterelement 2 und den Halbleiterchip 1.
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Die Klebeschicht 6 kann gemäß der Darstellung in der 2 auch seitlich der optischen Komponente vorhanden sein. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der Brechungsindex der Klebeschicht 6 vorzugsweise zwischen den Brechungsindizes des Konverterelements 2 und des Substrats 3 der optischen Komponente.
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Das Gehäuse 7 kann insbesondere opak sein, so dass eine seitliche Abstrahlung verhindert wird, die andernfalls infolge einer durch die optische Komponente bewirkten Brechung oder Beugung auftreten könnte.
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Das beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement hat insgesamt den Vorteil, dass die Antireflexschicht die Strahlungsausbeute und damit den Wirkungsgrad erhöht. Weitere Vorteile bestehen darin, dass die optische Komponente einen mechanischen Schutz bietet, und dass eine Filterschicht vorgesehen werden kann, die das Spektrum der aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelten Strahlung in einer gewünschten Weise verändert und/oder den Konversionsgrad erhöht.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
