DE102012106984A1

DE102012106984A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102012106984A1
Application number: DE201210106984
Authority: DE
Inventors: Ion Stoll; Kathy Schmidtke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-06
Also published as: WO2014019988A1

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) beschrieben, welches wenigstens einen Halbleiterchip (2) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, und eine den wenigstens einen Halbleiterchip (2) umgebende Vergussmasse (3) aufweist. Die Vergussmasse (3) ist im Strahlengang der emittierten Strahlung angeordnet. Die Vergussmasse (3) weist ein strahlungsdurchlässiges Material (4) und einen anorganischen Füllstoff (5) auf, wobei der anorganische Füllstoff (5) derart ausgebildet und im strahlungsdurchlässigen Material (4) angeordnet ist, dass die Vergussmasse (3) einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex aufweist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) angegeben.

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelement angegeben.
Es ist eine zu lösende Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, kurz Bauelement, anzugeben, das besonders effizient ist und insbesondere eine sehr hohe Lichtauskopplung aufweist. Ferner ist es eine zu lösende Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit besonders hoher Lichtauskopplung abzugeben.
Diese Aufgabe wird durch das optoelektronische Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 13 und 15 gelöst.
Gemäß einem Aspekt weist das Halbleiterbauelement wenigstens einen Halbleiterchip auf. Das Halbleiterbauelement kann zwei, drei oder mehr Halbleiterchips aufweisen. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich vorzugsweise um einen auf einem III-V-Halbleitermaterial basierenden Halbleiterchip. Vorzugsweise ist der Halbleiterchip ein Leuchtdioden (LED) Chip. Der Halbleiterchip ist zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht geeignet. Der Halbleiterchip strahlt vorzugsweise farbiges, mehrfarbiges oder weißes Licht ab. Der Halbleiterchip kann aber auch ultraviolette (UV) Strahlung abstrahlen. Es können alle Halbleiterchips des Halbleiterbauelements baugleich sein. Alternativ ist es möglich, dass das Halbleiterbauelement verschiedenartige, insbesondere auf verschiedenen Halbleitermaterialien basierende Halbleiterchips beinhaltet, die bevorzugt zur Emission in verschiedenen Spektralbereichen ausgebildet sind.
Das Halbleiterbauelement weist ferner eine Vergussmasse auf. Die Vergussmasse umgibt den wenigstens einen Halbleiterchip an seiner frei liegenden Außenfläche zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig. Die Vergussmasse ist im Strahlengang der emittierten Strahlung angeordnet. Die Vergussmasse weist ein strahlungsdurchlässiges oder optisch transparentes Material, beispielsweise ein Silikon- und/oder Epoxymaterial, auf.
Die Vergussmasse kann ein Lösungsmittel, z.B. Aceton, Benzol oder Tetramethylsilan, oder Reste eines Lösungsmittels aufweisen. Das Lösungsmittel ist in diesem Fall im strahlungsdurchlässigen Material verteilt. Alternativ dazu kann die Vergussmasse auch frei von Lösungsmittel sein.
Die Zugabe eines Lösungsmittels kann sich positiv auf bestimmte Prozesseigenschaften der Vergussmasse auswirken. So erhöht eine Beigabe von Lösungsmittel beispielsweise die Verfließbarkeit der Vergussmasse. Auch eine Haftung der Vergussmasse, beispielsweise an nachfolgend angeordneten optischen Elementen, kann durch Beigabe eines Lösungsmittels verbessert werden.
Die Vergussmasse weist ferner einen Füllstoff auf. Der Füllstoff ist vorzugsweise anorganisch. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Füllstoff um ein Metalloxid. Der Füllstoff kann beispielsweise Zirkoniumoxid (ZrO2) oder Titanoxid (TiO2) aufweisen.
Der anorganische Füllstoff ist derart ausgebildet und im strahlungsdurchlässigen Material angeordnet, dass die Vergussmasse einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex aufweist. Das heißt, der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse ist nicht konstant, sondern abhängig vom Ort in der Vergussmasse. Es gibt gedachte Kurven in der Vergussmasse entlang derer sich der Gesamtbrechungsindex allmählich, zum Beispiel stufenweise ändert. Zum Beispiel kann der Gesamtbrechungsindex entlang bestimmter gedachter Kurven, die in der Vergussmasse verlaufen, einen Gradienten aufweisen. Die Änderung des Gesamtbrechungsindex kann dabei insbesondere quasikontinuierlich sein. Beispielsweise ändert sich der Gesamtbrechungsindex um ca. 0.015 innerhalb eines Bereiches von ca. 0.1 mm in der Vergussmasse. Insbesondere verringert sich der Gesamtbrechungsindex innerhalb eines Bereiches von 0.1 mm in der Vergussmasse um ca. 0.015. Der Bereich von ca. 0.1 mm wird dabei in vertikaler Richtung also ausgehend vom Halbleiterchip in Richtung einer Auskoppelfläche des Bauelements durchlaufen.
An Grenzflächen von zwei Materialen (z.B. an der Grenzfläche zwischen Halbleiterchip und Vergussmasse oder zwischen Vergussmasse und Umgebungsluft) wird ein Teil der emittierten Strahlung auf Grund von unterschiedlichen Brechungsindices der Materialien reflektiert. Diese Reflektion erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Strahlung auf einen absorbierenden Bestandteil der Halbleiterbauelements trifft und somit nicht aus dem Bauelement auskoppelt, was zu einer verminderten Lichtauskopplung des Halbleiterbauelements führt.
Durch die gezielte Anpassung des Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse, so dass beispielsweise eine direkt an den Halbleiterchip angrenzende Schicht der Vergussmasse einen besonders hohen Gesamtbrechungsindex (ähnlich zu dem Brechungsindex des Halbleiterchips) und eine an die Umgebungsluft angrenzende Schicht der Vergussmasse einen besonders niedrigen Gesamtbrechungsindex (ähnlich zu dem Brechungsindex der Luft) aufweist, wird eine Verringerung des Unterschieds der Brechungsindices der Materialien an den Grenzflächen herbeigeführt. Auf diese Weise wird die Reflektion der Strahlung an den Grenzflächen vermindert und damit die Lichtauskopplung bzw. Helligkeitsausbeute des Halbleiterbauelements gesteigert. Somit ist das Halbleiterbauelement besonders effizient und weist insbesondere eine besonders hohe Lichtauskopplung auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weisen das strahlungsdurchlässige Material und der anorganische Füllstoff jeweils einen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex des anorganischen Füllstoffs ist höher als der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials. Beispielsweise kann der Brechungsindex des anorganischen Füllstoffs doppelt so hoch sein wie der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials.
Der Brechungsindex des anorganischen Füllstoffs ist vorzugsweise in etwa so hoch wie der Brechungsindex des Halbleiterchips. Vorzugsweise weist der anorganische Füllstoff einen Brechungsindex zwischen 1.5 und 3.0 auf, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Beispielsweise liegt der Brechungsindex des Füllstoffs bei 2.0.
Der Brechungsindex des strahlungsdurchlässige Materials ist vorzugsweise in etwa so hoch wie der Brechungsindex der das Bauteil umgebenden Luft. Vorzugsweise weist das strahlungsdurchlässige Material einen Brechungsindex zwischen 1.0 und 2.0 auf, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials liegt vorzugsweise zwischen 1.4 und 1.6, beispielsweise zwischen 1.41 und 1.54.
Der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse ergibt sich aus der Kombination des Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials und des anorganischen Füllstoffs. Der Gesamtbrechungsindex variiert abhängig von der Lage der Schicht des Vergussmaterials in Bezug auf den Halbleiterchip. Vorzugsweise liegt der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse zwischen 1.0 und 3.0, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Bauelement wenigstens eine Auskoppelfläche auf. Die Auskoppelfläche grenzt an die das Bauelement umgebende Luft an. An der Auskoppelfläche wird die vom Bauelement erzeugte Strahlung an die Umgebung abgegeben. Die Auskoppelfläche kann an einer dem Halbleiterchip abgewandten Oberfläche der Vergussmasse angeordnet sein. Zusätzlich können auch die Seitenflächen der Vergussmasse jeweils Auskoppelflächen des Bauelements darstellen.
Der anorganische Füllstoff ist derart ausgebildet und im strahlungsdurchlässigen Material angeordnet, dass der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse ausgehend vom Halbleiterchip hin zu der Auskoppelfläche gezielt graduell bzw. schrittweise verringert wird. Vorzugsweise befindet sich in einer Schicht der Vergussmasse, welche direkt an den Halbleiterchip angrenzt, mehr anorganischer Füllstoff als in der Schicht der Vergussmasse, welche von der Auskoppelfläche gebildet wird. Mit anderen Worten, die Schicht der Vergussmasse, welche direkt an den Halbleiterchip angrenzt, hat einen höheren Brechungsindex als die Schicht der Vergussmasse, welche von der Auskoppelfläche gebildet wird. Vorzugsweise ist die Auskoppelfläche frei von dem anorganischen Füllstoff. In diesem Fall ist der Gesamtberechungsindex der Schicht der Vergussmasse, welche von der Auskoppelfläche gebildet wird, gleich dem Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials.
Auf diese Weise wird eine Verringerung des Unterschieds der Brechungsindices der Materialien an den Grenzflächen Halbleiterchip – Vergussmasse und Vergussmasse – Umgebungsluft erzielt. Die Verringerung des Brechungsindex von Halbleiterchip ausgehend bis hin zur Umgebungsluft erfolgt dabei graduell und insbesondere durch einen gezielten Einsatz des anorganischen Füllstoffs. Eine Reflektion der Strahlung an den Grenzflächen kann somit verringert oder ganz verhindert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der anorganische Füllstoff eine Vielzahl von Nanopartikeln auf. Unter Nanopartikeln sind im allgemeinen Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von größer oder gleich 0,1 nm und kleiner oder gleich 100 nm zu verstehen. Die Nanopartikel weisen eine derartige Größe auf, dass eine Streuung der vom Halbleiterchip emittierten Strahlung durch die Nanopartikel im Wesentlichen vollständig verhindert wird. Die Nanopartikel weisen vorzugsweise einen Durchmesser von kleiner oder gleich 40 nm auf. Besonders bevorzugt weisen die Nanopartikel einen Durchmesser von 30 nm bis 40 nm, beispielsweise 35 nm auf.
Die Nanopartikel haben, verglichen mit einer Wellenlänge der vom Halbleiterchip emittierten Strahlung, eine sehr kleine Ausdehnung. Eine Streuung der emittierten sichtbaren Strahlung kann somit vollständig oder zumindest größtenteils verhindert werden. Somit wird durch den anorganischen Füllstoff eine Strahlungsintensität der von dem Bauelement erzeugten Strahlung im Wesentlichen nicht verringert. Mit anderen Worten, die Strahlung gelangt im Wesentlichen ohne zu streuen von dem Halbleiterchip bis hin zur Auskoppelfläche.
Ferner weisen die Nanopartikel auch nur einen sehr geringen Absorptionsgrad auf. Vorzugsweise besitzen die Nanopartikel im sichtbaren Wellenlängenbereich keine Absorption. Dies trägt zur Steigerung der Lichtauskopplung und damit zur Effizienz des Halbleiterbauelements bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt eine Dichte der Nanopartikel ausgehend vom Halbleiterchip hin zur Auskoppelfläche graduell ab. Der Anteil an Nanopartikeln in einer an den Halbleiterchip angrenzenden Schicht der Vergussmasse kann beispielsweise zwischen 40 und 100 Gew-% betragen. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Nanopartikeln in der an den Halbleiterchip angrenzenden Schicht der Vergussmasse wenigstens 50 Gew-%, beispielsweise 60 Gew-% oder 70 Gew-%.
Der Anteil an Nanopartikeln in einer an die Umgebungsluft angrenzenden Schicht der Vergussmasse, also an der durch die Auskoppelfläche gebildete Schicht der Vergussmasse, kann beispielsweise zwischen 0 und 10 Gew-% betragen, beispielsweise 5 Gew-%. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Nanopartikeln in der an die Umgebungsluft angrenzenden Schicht kleiner 5 Gew-%, beispielsweise 0, 1 oder 2 Gew-%.
Durch Variieren der Konzentration der Nanopartikel im strahlungsdurchlässigen Material kann der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse gezielt und graduell eingestellt werden. Insbesondere kann der Gesamtbrechungsindex an den Brechungsindex der jeweiligen Materialien der Grenzschicht angepasst werden. Unterschiede in den Brechungsindices der Materialien an Grenzflächen können so verringert oder gar vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Nanopartikel oberflächenfunktionalisiert. Eine Funktionalisierung der Nanopartikel kann beispielsweise durch Wechselwirkung mit dem oben erwähnten Lösungsmittel erfolgen. Beispielsweise können die Nanopartikel mit Silan funktionalisiert werden, welches polymerisierbare Gruppen trägt (Vinyltriethoxysilan). Alternativ dazu kann die Funktionalisierung auch mit Hilfe von 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan oder Aminopropyltrimethoxysilan erfolgen.
Durch die Oberflächenfunktionalisierung wird verhindert, dass sich die Nanopartikel durch Van-der-Waals Wechselwirkung aggregieren, was zu einer Streuung der emittierten Strahlung an den Aggregaten und damit zu einem Helligkeitsverlust führen würde. Ferner kann durch die Oberflächenfunktionalisierung die Formulierbarkeit der Nanopartikel in dem strahlungsdurchlässigen Material verbessert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform tragen die Nanopartikel Ladungen auf ihrer Oberfläche. Die Ladungsträgerzahl kann dabei unterschiedlich gestaltet sein, wodurch die Verteilung der Nanopartikel in dem strahlungsdurchlässigen Material, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes, erleichtert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement ein Wellenlängenkonversionselement auf. Das Wellenlängenkonversionselement ist zumindest teilweise im Strahlengang der vom Halbleiterchip emittierten Strahlung angeordnet. Vorzugsweise ist das Wellenlängenkonversionselement auf einer der Vergussmasse zugewandten Oberfläche des Halbleiterchips angeordnet. Das Wellenlängenkonversionselement ist unmittelbar auf dem Halbleiterchip angeordnet.
Das Wellenlängenkonversionselement ist dazu ausgebildet die vom Halbleiterchip emittierte Strahlung teilweise oder vollständig in eine weitere Strahlung mit einer von der emittierten Strahlung unterschiedlichen Wellenlänge zu konvertieren. Zum Beispiel können ein im blauen Bereich des Spektrums emittierender Halbleiterchip, zum Beispiel ein LED Chip umfassend InGaN, und ein Wellenlängenkonversionselement mit einer Mischung aus im grünen und roten Bereich emittierenden Konvertermaterialien verwendet werden, um ein weiß emittierendes Halbleiterbauelement bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, vorzugsweise des oben beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements, beschrieben. Insbesondere entspricht das dabei hergestellte Halbleiterbauelement vorzugsweise dem hier beschriebenen Halbleiterbauelement. Sämtliche für das Halbleiterbauelement offenbarten Merkmale sind demnach auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
In einem ersten Schritt wird der wenigstens eine Halbleiterchip bereitgestellt. Der Halbleitchip ist vorzugsweise ein LED Chip.
In einem zweiten Schritt wird das strahlungsdurchlässige oder optisch transparente Material bereitgestellt. Das strahlungsdurchlässige Material dient als Grundmaterial zur Ausbildung der Vergussmasse.
In einem weiteren Schritt wird der anorganische Füllstoff in das strahlungsdurchlässige Material eingebracht, insbesondere mit dem strahlungsdurchlässigen Material gemischt. Vor dem Einbringen in das strahlungsdurchlässige Material können die Nanopartikel beispielsweise mit einem Lösungsmittel vermischt werden. Das Gemisch aus Lösungsmittel und Nanopartikel wird dann in das strahlungsdurchlässige Material eingebracht.
Der anorganische Füllstoff umfasst, wie oben beschrieben, eine Vielzahl von Nanopartikeln. Die Zahl der Nanopartikel ist vorzugsweise an einen gewünschten Gradientenbereich des Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse angepasst. Der anorganische Füllstoff ist zunächst homogen im strahlungsdurchlässigen Material verteilt, insbesondere mit dem strahlungsdurchlässigen Material durchmischt. Durch ein Mischen der Nanopartikel mit einem Lösungsmittel vor dem Einbringen in das strahlungsdurchlässige Material kann beispielsweise eine besonders effektive homogene Verteilung der Nanopartikel im strahlungsdurchlässigen Material erzielt werden.
In einem weiteren Schritt wird die Vergussmasse um den Halbleiterchip angeordnet. Die Vergussmasse wird so um den Halbleiterchip angeordnet, dass der Halbleiterchip vorzugsweise vollständig von der Vergussmasse umhüllt ist. Dadurch ist der Halbleiterchip vor äußeren Einflüssen und damit Beschädigungen geschützt.
In einem weiteren Schritt wird der anorganische Füllstoff im strahlungsdurchlässigen Material verteilt. Der Füllstoff wird derart verteilt, dass die Konzentration bzw. die Dichte des Füllstoffs im strahlungsdurchlässigen Material ausgehend vom Halbleiterchip hin zur Auskoppelfläche abnimmt. Auf diese Weise weist die Vergussmasse einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex auf, welcher sich aus dem Brechungsindex des Füllstoffs und dem Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials zusammensetzt. Insbesondere ist der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse in einer an den Halbleiterchip angrenzenden Schicht höher, als der Gesamtbrechungsindex einer an die Umgebungsluft angrenzenden Schicht der Vergussmasse. Zwischen der Schicht der Vergussmasse, welche an den Halbleiterchip angrenzt, und der Schicht der Vergussmasse, welche an die Umgebungsluft angrenzt, wird der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse schrittweise durch Verringerung der Konzentration des Füllstoffs verringert. Unterschiede in den Brechungsindices der Materialien an den Grenzflächen Halbleiterchip – Vergussmasse sowie Vergussmasse – Umgebungsluft können so verringert oder ganz vermieden werden. Dadurch werden die Effizienz bzw. die Lichtauskopplung des Halbleiterbauelements gesteigert.
Das Verteilen des anorganischen Füllstoffs erfolgt dabei beispielsweise durch ein Zentrifugieren des Halbleiterbauelements und insbesondere der Vergussmasse. Das Zentrifugieren führt zu einer Anreicherung des Füllstoffs in den unteren Schichten der Vergussmasse, also den Schichten, welche direkt an den Halbleiterchip angrenzen. Insbesondere wandert durch das Zentrifiguieren der Füllstoff innerhalb des strahlungsdurchlässigen Materials zum Halbleiterchip hin, so dass die Konzentration an Füllstoff in Schichten des Vergussmaterials, die sich in unmittelbarer Umgebung zum Halbleiterchip befinden, größer ist, als in Schichten der Vergussmasse, die weiter vom Halbleiterchip entfernt sind (obere Schichten der Vergussmasse).
Das Verteilen des anorganischen Füllstoffs in dem strahlungsdurchlässigen Material kann auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes an dem Bauelement erfolgen. Der Füllstoff und insbesondere die Nanopartikel wandern dann entlang der Feldlinien des erzeugten Feldes. Füllstoff, welcher sich bereits in einer Schicht der Vergussmasse nahe zum Halbleiterchip befindet, wandert dabei bis in die an den Halbleiterchip direkt angrenzende Schicht der Vergussmasse. Füllstoff, welcher sich in Schichten der Vergussmasse befindet, die weiter vom Halbleiterchip entfernt sind (obere Schichten), bewegt sich in Richtung des Halbleiterchips. Auf diese Weise kann ein gezielt eingestellter Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse erzielt werden.
Sofern die Nanopartikel vor dem Einbringen in das strahlungsdurchlässige Material mit einem Lösungsmittel vermischt wurden, kann in einem zusätzlichen Verfahrensschritt das Lösungsmittel zumindest teilweise wieder aus der Vergussmasse entfernt werden, beispielsweise durch Verdampfen, mittels Wärme oder Unterdruck. Alternativ dazu kann das Lösungsmittel auch vollständig in der Vergussmasse verbleiben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, vorzugsweise eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements, beschrieben. Insbesondere entspricht das dabei hergestellte Halbleiterbauelement vorzugsweise dem oben beschriebenen Halbleiterbauelement. Sämtliche für das Halbleiterbauelement offenbarten Merkmale sind demnach auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
In einem ersten Schritt wird der oben beschriebene Halbleiterchip bereitgestellt. In einem zweiten Schritt wird das strahlungsdurchlässige oder optisch transparente Material zur Ausbildung der Vergussmasse bereitgestellt. In einem weiteren Schritt wird der anorganische Füllstoff in das strahlungsdurchlässige Material eingebracht. Der anorganische Füllstoff umfasst eine Vielzahl von Nanopartikeln, wie oben beschrieben. Alternativ dazu können, wie oben beschrieben, die Nanopartikel vor dem Einbringen in das strahlungsdurchlässige Material mit einem Lösungsmittel vermischt werden.
In einem weiteren Schritt wird eine erste Schicht der Vergussmasse um den Halbleiterchip angeordnet. Durch die erste Schicht ist der Halbleiterchip vorzugsweise bereits vollständig von Vergussmasse umhüllt.
In einem nächsten Schritt wird wenigstens eine weitere Schicht der Vergussmasse sukzessive um den Halbleiterchip angeordnet. Die weitere Schicht der Vergussmasse wird auf die erste bereits den Halbleiterchip umgebende Schicht angeordnet. Bis zur Vollständigen Ausbildung der Vergussmasse können noch weitere Schichten auf die jeweils vorhergehend angeordnete Schicht der Vergussmasse aufgebracht werden.
Eine vorhergehend angeordnete Schicht der Vergussmasse weist dabei eine höhere Konzentration bzw. Dichte an anorganischem Füllstoff auf, als jede weitere nachfolgend angeordnete Schicht der Vergussmasse. Mit anderen Worten, die Konzentration des Füllstoffs in einer Schicht der Vergussmasse, welche direkt an den Halbleiterchip angrenzt (in der ersten bzw. untersten Schicht der Vergussmasse) ist höher als in jeder anderen Schicht der Vergussmasse. Die Konzentration des Füllstoffs in einer Schicht der Vergussmasse, welche direkt an die Umgebungsluft angrenzt, also die oberste Schicht der Vergussmasse, ist niedriger als in jeder anderen Schicht der Vergussmasse.
Auf diese Weise weist die Vergussmasse einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex auf. Unterschiede in den Brechungsindices der verschiedenen Materialien können somit verringert oder ganz vermieden werden. Streuungen an den Grenzflächen verschiedener Materialien auf Grund von starken Unterschieden in den Brechungsindices der Materialien werden folglich vermieden und die Effizienz und Lichtauskopplung des Halbleiterbauelements wird dadurch erhöht.
Im Folgenden werden das optoelektronische Bauelement und das Verfahren an Hand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die 1 zeigt einen Querschnitt eines optoelektronischen Halbleiterbauelements,
Die 2 zeigt das optoelektronische Halbleiterbauelement aus 1 vor dem Verteilen des anorganischen Füllstoffs in dem strahlungsdurchlässigen Material,
Die 3 zeigt eine weitere Ansicht des optoelektronischen Halbleiterbauelements aus 1 vor dem Verteilen des anorganischen Füllstoffs in dem strahlungsdurchlässigen Material.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 1, das einen Halbleiterchip 2 aufweist. Alternativ kann das Halbleiterbauelement 1 auch zwei, drei oder mehr Halbleiterchips 2 aufweisen. Der Halbleiterchip 2 strahlt sichtbare Strahlung bzw. Licht ab. Der Halbleiterchip 2 strahlt farbiges, mehrfarbiges oder weißes Licht ab. Vorzugsweise emittiert der Halbleiterchip 2 Strahlung im blauen Bereich des Spektrums. Der Halbleiterchip 2 ist vorzugsweise ein LED Chip. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Halbleiterchip 2 auch nicht sichtbare Strahlung, beispielsweise UV Strahlung abstrahlen.
Der Halbleiterchip 2 weist einen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex des Halbleiterchips 2 ist größer als 2.0.
Beispielsweise liegt der Brechungsindex des Halbleiterchips zwischen 2.5 und 3.5.
Der Halbleiterchip 2 ist in einem Gehäuse 10 angeordnet. Das Gehäuse 10 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff ausgebildet. Das Gehäuse 10 kann als Reflektor ausgebildet sein zur Reflexion der im Betrieb des Halbleiterchips 2 erzeugten Strahlung. Zu diesem Zweck können die Innenwände des Gehäuses 10 eine reflektierende Oberfläche aufweisen. Beispielsweise sind die Innenwände mit reflektierenden Pigmenten wie TiO2 oder mit Metall beschichtet (nicht explizit dargestellt). Der Halbleiterchip 2 ist auf einem Träger 9 angeordnet. Der Träger 9 ist mit dem Gehäuse 10 verbunden. Auf einer dem Träger 9 abgewandten Oberfläche des Halbleiterchips 2 ist ein Wellenlängenkonversionselement 8 angeordnet. Das Wellenlängenkonversionselement 8 ist im Strahlengang der vom Halbleiterchip 2 emittierten Strahlung angeordnet. Das Wellenlängenkonversionselement 8 kann durch eine gedruckte Lage aus einer Phosphorpaste in einem Silikon gebildet werden. Alternativ kann das Wellenlängenkonversionselement 8 ein keramisches Material aufweisen.
Das Wellenlängenkonversionselement 8 konvertiert die emittierte Strahlung zumindest teilweise in eine weitere Strahlung mit einer von der emittierten Strahlung unterschiedlichen Wellenlänge. Vorzugsweise weist das Wellenlängenkonversionselement 8 eine Mischung aus im grünen und roten Bereich emittierenden Konvertermaterialien auf, um ein weiß emittierendes Halbleiterbauelement 1 bereitzustellen.
Der Halbleiterchip 2 ist von einer Vergussmasse 3 vollständig umgeben. Insbesondere füllt die Vergussmasse 3 das Gehäuse 10 vollständig aus. Die Vergussmasse 3 schützt den Halbleiterchip 2 vor äußeren Einflüssen.
Der Halbleiterbauelement 1 weist eine Auskoppelfläche 7 auf. An der Auskoppelfläche 7 wird die von dem Halbleiterbauelement 1 bzw. dem Halbleiterchip 2 emittierte Strahlung an die Umgebung abgegeben. Die Auskoppelfläche 7 wird von einer Schicht der Vergussmasse 3 gebildet, welche direkt an die das Halbleiterbauelement 1 umgebende Luft angrenzt.
Die Vergussmasse 3 weist ein strahlungsdurchlässiges oder optisch transparentes Material 4 auf. Das strahlungsdurchlässige Material 4 kann ein Silikon-Vergussmaterial aufweisen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist das strahlungsdurchlässige Material 4 ein Epoxy-Vergussmaterial auf. Sowohl Silikon-, als auch Epoxy-Vergussmaterial weisen eine hohe optische Transparenz und eine große Materialstabilität auf.
Das strahlungsdurchlässige Material 4 weist einen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex ist kleiner als der Brechungsindex des Halbleiterchips 2. Der Brechungsindex ist höher oder gleich zu dem Brechungsindex der Luft, welche das Halbleiterbauelement 1 umgibt. Der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials 4 liegt vorzugsweise zwischen 1.0 und 2.0, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials 4 liegt vorzugsweise zwischen 1.4 und 1.6, beispielsweise zwischen 1.41 und 1.54.
Die Vergussmasse 3 kann ferner ein Lösungsmittel oder Reste eines Lösungsmittels aufweisen (nicht explizit dargestellt).
Das Lösungsmittel hat keinen oder nur geringen Einfluss auf einen weiter unten beschriebenen Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3.
Die Vergussmasse 3 weist ferner einen anorganischen Füllstoff 5 auf. Vorliegend besteht der anorganische Füllstoff aus einer Vielzahl von Nanopartikeln. Die Nanopartikel können beispielsweise SiO2, ZrO2 oder TiO2 aufweisen.
Die Nanopartikel sind in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 angeordnet. Die Nanopartikel sind in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 verteilt. Die Verteilung der Nanopartikel im strahlungsdurchlässigen Material 4 ist nicht zufällig und auch nicht homogen. Vielmehr ist die Konzentration oder Dichte der Nanopartikel in einer Schicht der Vergussmasse 3, die direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzt, größer, als die Konzentration der Nanopartikel in weiter vom Halbleiterchip 2 entfernten Schichten der Vergussmasse 3 (obere Schichten der Vergussmasse 3).
Der Anteil der Nanopartikel in der Vergussmasse 3 liegt in der Schicht der Vergussmasse 3, die direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzt bei 40 bis 100 Gew-%, beispielsweise 50 Gew-%. Eine Schicht der Vergussmasse 3 die in Richtung zur Auskoppelfläche 7 hin derjenigen Schicht nachgeordnet ist, welche direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzt, weist eine kleinere Konzentration an Nanopartikeln auf, als die direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzende Schicht. Beispielsweise weist die in Richtung zur Auskoppelfläche 7 hin nachgeordnete Schicht der Vergussmasse 3 einen Anteil an Nanopartikeln von 35 oder 40 Gew-% auf.
Die Konzentration der Nanopartikel verringert sich schrittweise oder graduell ausgehend von der Schicht des Vergussmaterials 3, die direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzt (unterste Schicht der Vergussmasse 3) bis hin zu der Schicht des Vergussmaterials 3, die direkt an die Umgebungsluft angrenzt (oberste Schicht der Vergussmasse 3). Letztere Schicht wird – wie oben beschrieben – von der Auskoppelfläche 7 des Halbleiterbauelements 2 gebildet. Die Schicht der Vergussmasse 3, welche direkt an die Umgebungsluft angrenzt, ist frei von Nanopartikeln. Folglich liegt der Anteil der Nanopartikel in der Schicht der Vergussmasse 3, die direkt an die Umgebungsluft angrenzt bei kleiner 1 Gew-%, vorzugsweise bei 0 Gew-%.
Die Nanopartikel tragen Ladungen auf ihrer Oberfläche. Die Anzahl der Ladungsträger kann dabei während der Synthese oder Funktionalisierung, oder auch anschließend, beispielsweise durch Einstellen des ph-Werts oder die Zugabe eines Salzes, eingestellt werden. Unterschiedliche Nanopartikel können dabei unterschiedliche Ladungsträgerzahlen aufweisen, was zu einer gezielten Verteilung der Nanopartikel in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 beitragen kann, wie später im Detail beschrieben wird.
Die Nanopartikel weisen einen Durchmesser von kleiner oder gleich 40 nm auf. Vorzugsweise weisen die Nanopartikel einen Durchmesser von 30 nm bis 40 nm, beispielsweise 35 nm, 36 nm, oder 37 nm auf. Die Nanopartikel haben, verglichen mit der Wellenlänge der vom Halbleiterchip 2 emittierten Strahlung, eine sehr kleine Ausdehnung. Dadurch wird eine Streuung der vom Halbleiterchip 2 emittierten Strahlung durch die Nanopartikel verhindert. Dies trägt zu einer hohen Effizienz bzw. Lichtauskopplung des Halbleiterbauelements 1 bei.
Die Nanopartikel weisen einen sehr geringen Absorptionsgrad auf. Vorzugsweise besitzen die Nanopartikel im sichtbaren Wellenlängenbereich gar keine Absorption. Auch dies trägt zur Steigerung der Lichtauskopplung und damit zur Effizienz des Halbleiterbauelements bei.
Die Nanopartikel weisen eine Oberflächenfunktionalisierung auf. Die Oberflächenfunktionalisierung kann beispielsweise dadurch erwirkt werden, dass die Nanopartikel mit dem oben erwähnten Lösungsmittel wechselwirken.
Zur Oberflächenfunktionalisierung können die Nanopartikel beispielsweise mit Silan funktionalisiert sein, welches polymerisierbare Gruppen trägt (Vinyltriethoxysilan). Silan eignet sich besonders gut als Oberflächenfunktionalisierung für die Verwendung der Nanopartikel in Silikon als strahlungsdurchlässigem Material 4. Alternativ dazu kann die Funktionalisierung auch mit Hilfe von 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan oder Aminopropyltrimethoxysilan erfolgen. 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan oder Aminopropyltrimethoxysilan eignet sich besonders gut als Oberflächenfunktionalisierung für die Verwendung der Nanopartikel in Epoxid als strahlungsdurchlässigem Material 4.
Die Oberflächenfunktionalisierung verhindert, dass sich die Nanopartikel räumlich nahe genug kommen, um zu aggregieren. Die Ausbildung von Aggregaten würde zu einer vermehrten Streuung der emittierten Strahlung an den Aggregaten und damit zu einem Helligkeitsverlust führen würde. Die Oberflächenfunktionalisierung trägt ferner zu einer verbesserten Formulierbarkeit der Nanopartikel in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 bei.
Die Nanopartikel weisen einen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex ist kleiner oder gleich zum Brechungsindex des Halbleiterchips 2. Der Brechungsindex ist höher als der Brechungsindex der Luft, welche das Halbleiterbauelement 1 umgibt. Der Brechungsindex der Nanopartikel liegt vorzugsweise zwischen 1.5 und 3.0, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Beispielsweise weisen die Nanopartikel einen Brechungsindex von größer 2.0 auf.
Die Vergussmasse 3 weist einen Gesamtbrechungsindex auf. Der Gesamtbrechungsindex setzt sich zusammen aus dem Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials 4 und der Nanopartikel. Der Gesamtbrechungsindex weist einen Gradientenbereich auf. Der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 liegt zwischen 1.0 und 3.0, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 ist durch den hohen Brechungsindex der Nanopartikel lokal erhöht. Insbesondere weist das Vergussmaterial 3 durch die gezielte Verteilung der Nanopartikel in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex auf.
Durch die hohe Konzentration der Nanopartikel in der Schicht der Vergussmasse 3, die direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzt (unterste Schicht), ist der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 dort besonders hoch. Vorzugsweise ist der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 in der an den Halbleiterchip 2 angrenzenden Schicht der Vergussmasse 3 gleich dem Brechungsindex des Halbleiterchips.
In den daran angrenzenden Schichten der Vergussmasse 3, insbesondere in den zwischen der untersten Schicht und der obersten Schicht der Vergussmasse 3 gelegenen Schichten, wird der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 zur Auskoppelfläche 7 hin durch gezielte Verringerung der Konzentration der Nanopartikel immer kleiner.
Durch das Fehlen der Nanopartikel in der Schicht der Vergussmasse 3, die direkt an die Umgebungsluft angrenzt (oberste Schicht der Vergussmasse 3), ist der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 dort besonders gering. Vorzugsweise ist der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 in der an die Umgebungsluft angrenzenden Schicht der Vergussmasse 3 gleich dem Brechungsindex der Umgebungsluft.
Unterschiede in den Brechungsindices an den Grenzflächen zwischen Halbleiterchip 2 und Vergussmasse 3 bzw. zwischen Vergussmasse 3 und Umgebungsluft können somit weitgehend vermieden oder massiv verringert werden. Somit wird der Anteil an Totalreflexion der emittierten Strahlung an den Materialgrenzen auf ein Minimum reduziert oder ganz verhindert. Dies führt zu einer besonders hohen Lichtauskopplung des Halbleiterbauelements 1.
Das oben beschriebene optoelektronische Bauelement 1 wird wie folgt hergestellt (siehe hierzu 2 und 3):
Zunächst werden das oben beschriebene Gehäuse 10 und der Träger 9 bereitgestellt. Weiterhin wird der oben beschriebene Halbleiterchip 2 bereitgestellt. Der Halbleiterchip 2 wird auf dem Träger 9 und in dem Gehäuse 10 angeordnet.
Das Wellenlängenkonversionselement 8 wird auf dem Halbleiterchip 2 aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Elektrophorese erfolgen. Alternativ dazu kann das Wellenlängenkonversionselement 8 aber auch aus einer gedruckten Lage aus einer Phosphorpaste in einem Silikon gebildet werden.
In einem weiteren Schritt wird das oben beschriebene strahlungsdurchlässige Material 4 bereitgestellt. In einem nächsten Schritt wird der anorganische Füllstoff 5, der eine Vielzahl von Nanopartikeln umfasst, in das strahlungsdurchlässige Material 4 eingebracht. Insbesondere werden das strahlungsdurchlässige Material 4 und die Nanopartikel vermischt. Dabei sind die Nanopartikel zunächst homogen in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 verteilt (2 und 3). Strahlungsdurchlässiges Material 4 und Nanopartikel bilden zusammen die Vergussmasse 3.
Alternativ dazu können die Nanopartikel vor dem Hinzufügen zu dem strahlungsdurchlässigen Material 4 in ein Lösungsmittel eingebracht werden. Die Nanopartikel sind in dem Lösungsmittel homogen verteilt. Das Lösungsmittel kann beispielsweise zur Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel ausgebildet sein. Mit anderen Worten, durch die Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel kann eine Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel erwirkt werden. In einem anschließenden Schritt wird das Gemisch aus Lösungsmittel und Nanopartikel dem strahlungsdurchlässigen Material 4 beigefügt.
Das Lösungsmittel hat den Vorteil, dass es ein Aggregieren der Nanopartikel in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 wirkungsvoll verhindert. Vielmehr ist das Gemisch aus Lösungsmittel und Nanopartikel homogen in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 verteilt. Ferner verbessert das Lösungsmittel die Verfließbarkeit des strahlungsdurchlässigen Materials 4. Auch eine Haftung des strahlungsdurchlässigen Materials 4 an den Seitenwänden des Gehäuses 10 oder an weiteren optischen Elementen, die beispielsweise an der Auskoppelfläche des Bauelements 1 angebracht werden, kann durch das Lösungsmittel verbessert werden.
In einem nächsten Schritt wird die Vergussmasse 3 in dem Gehäuse 10 um den Halbleiterchip 2 herum angeordnet. Nach dem Anordnen der Vergussmasse 3 in dem Gehäuse 10 ist der Halbleiterchip 2 vollständig von der Vergussmasse 3 umgeben. Da die Nanopartikel homogen in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 angeordnet sind, ist zu diesem Zeitpunkt die Konzentration der Nanopartikel in allen Schichten der Vergussmasse 3 annähernd gleich (siehe 2 und 3).
In einem weiteren Schritt werden die Nanopartikel in dem strahlungsdurchlässigen Material 4 verteilt. Die Verteilung erfolgt dabei derart, dass die Konzentration der Nanopartikel im strahlungsdurchlässigen Material 4 ausgehend vom Halbleiterchip 2 hin zur Auskoppelfläche 7 abnimmt. Auf diese Weise weist die Vergussmasse 3 nach der Fertigstellung des Halbleiterbauelements 1 wie oben beschrieben einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex auf.
Das Verteilen der Nanopartikel kann dabei beispielsweise durch ein Zentrifugieren der Vergussmasse 3 erfolgen. Durch das Zentrifugieren werden die Nanopartikel innerhalb des strahlungsdurchlässigen Materials 4 bevorzugt in Richtung des Halbleiterchips 2 bewegt. Dies führt zu einer Erhöhung des Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 in den unteren Schichten, während die oberen Schichten einen geringeren Gesamtbrechungsindex aufweisen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt das Verteilen der Nanopartikel durch Anlegen eines elektrischen Feldes 13 an dem Bauelement 1 (siehe 3). Dabei wird das Halbleiterbauelement 1 zwischen zwei Elektroden 11 und 12 eingebracht. Eine Spannung wird an die Elektroden 11, 12 angelegt, so dass das elektrische Feld 13 erzeugt wird. Auf Grund der Ladungen an der Oberfläche der Nanopartikel bewegen sich diese im elektrischen Feld 13. Die Nanopartikel wandern entlang der Feldlinien des elektrischen Feldes 13 in Richtung des Halbleiterchips 2. Nanopartikel, die sich bereits in den unteren Schichten der Vergussmasse 3 befinden wandern dabei solange, bis sie sich in der Schicht der Vergussmasse 3 befinden, die direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzt. Dadurch reichern sich die Nanopartikel in den unteren Schichten der Vergussmasse 3 an.
Die Zeitdauer des angelegten elektrischen Feldes 13 wird dabei so gewählt, das Nanopartikel, welche sich in den oberen Schichten befinden, noch nicht die an den Halbleiterchip 2 angrenzende Schicht erreicht haben. Dies führt zu einer Konzentration der Nanopartikel die vom Halbleiterchip 2 ausgehend bis hin zur Auskoppelfläche 7 schrittweise abnimmt. Auf diese Weise wird eine Erhöhung des Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse 3 in den unteren Schichten erreicht, während die oberen Schichten einen geringeren Gesamtbrechungsindex aufweisen. Der Änderung des Gesamtbrechungsindex verläuft dabei graduell.
Wie oben beschrieben können die Nanopartikel auch unterschiedliche Ladungsträgerzahlen aufweisen. Bei Nanopartikeln mit einer unterschiedlichen Ladungsträgerzahl auf der Oberfläche wandern die Nanopartikel mit einer höheren Ladungsträgerzahl schneller und reichern sich damit in den unteren Schichten der Vergussmasse 3 an. Über die Wahl der Konzentration von Ladungsträgern an der Oberfläche kann die spätere Verteilung der Nanopartikel somit gezielt gesteuert werden.
In einem weiteren Schritt wird die Vergussmasse 2 thermisch oder UV induziert ausgehärtet.
Sofern die Nanopartikel mit einem Lösungsmittel vermischt wurden oder nach dem Mischen von Nanopartikeln und strahlungsdurchlässigem Material 4 ein Lösungsmittel beigegeben wurde, kann das Lösungsmittel in einem finalen Prozessschritt vollständig verdampft werden. Alternativ kann das Lösungsmittel auch durch Wärme oder Unterdruck zumindest teilweise entfernt werden. Alternativ dazu kann das Lösungsmittel auch nach der Fertigstellung vollständig in der Vergussmasse 3 verbleiben.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das beschriebene optoelektronische Bauelement 1 wie folgt hergestellt (nicht explizit in den Figuren dargestellt):
Wiederum werden das oben beschriebene Gehäuse 10 und der Träger 9 bereitgestellt. Weiterhin wird der oben beschriebene Halbleiterchip 2 bereitgestellt. Der Halbleiterchip 2 wird auf dem Träger 9 und in dem Gehäuse 10 angeordnet und das Wellenlängenkonversionselement 8 wird wie oben beschrieben auf dem Halbleiterchip 2 aufgebracht.
Weiterhin wird das oben beschriebene strahlungsdurchlässige Material 4 bereitgestellt. Der anorganische Füllstoff 5, der eine Vielzahl von Nanopartikeln umfasst, wird in das strahlungsdurchlässige Material 4 eingebracht. Strahlungsdurchlässiges Material 4 und Nanopartikel bilden zusammen die Vergussmasse 3.
Alternativ dazu können die Nanopartikel, wie oben beschrieben, mit einem Lösungsmittel vermischt werden, bevor sie in das strahlungsdurchlässige Material eingebracht werden. Das Lösungsmittel wird in einem späteren Verfahrensschritt vollständig oder teilweise entfernt. Alternativ dazu kann das Lösungsmittel aber auch vollständig in der Vergussmasse verbleiben, wie oben beschrieben.
In einem weiteren Schritt wird eine erste Schicht der Vergussmasse 3 um den Halbleiterchip 2 angeordnet. Nach Anordnen der ersten Schicht ist der Halbleiterchip 2 vorzugsweise bereits komplett von Vergussmasse 3 umgeben. In einem weiteren Schritt wird wenigstens eine weitere Schicht der Vergussmasse 3 um den Halbleiterchip 2 angeordnet. Die weitere Schicht wird auf die erste vorangehend angeordnete Schicht der Vergussmasse 3 aufgebracht. Das sukzessive Anordnen von Schichten erfolgt dabei so lange, bis das Gehäuse 10 komplett von dem Vergussmaterial 3 ausgefüllt ist.
Eine vorhergehend angeordnete Schicht der Vergussmasse 3 weist dabei eine höhere Konzentration an Nanopartikel auf auf, als jede weitere nachfolgend angeordnete Schicht der Vergussmasse. Die Konzentration der Nanopartikel in der ersten Schicht der Vergussmasse 3, welche direkt an den Halbleiterchip 2 angrenzt (unterste Schicht der Vergussmasse 3) ist folglich höher als in jeder anderen Schicht der Vergussmasse 3. Beispielsweise beträgt der Anteil der Nanopartikel in dieser Schicht wenigstens 40 Gew-%. Die Konzentration der Nanopartikel in der Schicht der Vergussmasse 3, welche direkt an die Umgebungsluft angrenzt, also die oberste Schicht der Vergussmasse 3, ist niedriger als in jeder anderen Schicht der Vergussmasse 3. Beispielsweise beträgt der Anteil der Nanopartikel in dieser Schicht 0 Gew-%. Der Änderung der Konzentration verläuft dabei graduell. Auf Grund der gezielten Verteilung der Nanopartikel weist die Vergussmasse 3 einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex auf.
In einem letzten Schritt wird die Vergussmasse 2 wiederum thermisch oder UV induziert ausgehärtet.
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.

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) aufweisend – wenigstens einen Halbleiterchip (2) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, – eine den wenigstens einen Halbleiterchip (2) umgebende Vergussmasse (3), wobei die Vergussmasse (3) im Strahlengang der emittierten Strahlung angeordnet ist, wobei die Vergussmasse (3) ein strahlungsdurchlässiges Material (4) und einen anorganischen Füllstoff (5) aufweist, und wobei der anorganische Füllstoff (5) derart ausgebildet und im strahlungsdurchlässigen Material (4) angeordnet ist, dass die Vergussmasse (3) einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, wobei das Bauelement (1) wenigstens eine Auskoppelfläche (7) aufweist die an die das Bauelement (1) umgebende Luft (6) angrenzt, und wobei der anorganische Füllstoff (5) derart ausgebildet und im strahlungsdurchlässigen Material (4) angeordnet ist, dass der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse (3) ausgehend vom Halbleiterchip (2) hin zu der Auskoppelfläche (7) gezielt graduell verringert wird.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das strahlungsdurchlässige Material (4) und der anorganische Füllstoff (5) jeweils einen Brechungsindex aufweisen, und wobei der Brechungsindex des anorganischen Füllstoffs (5) höher ist als der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Materials (4).
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Gesamtbrechungsindex der Vergussmasse (3) zwischen 1.0 und 3.0 liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Auskoppelfläche (7) frei von dem anorganischen Füllstoff (5) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der anorganische Füllstoff (5) eine Vielzahl von Nanopartikeln aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 6, wobei die Nanopartikel eine derartige Größe aufweisen, dass eine Streuung der vom Halbleiterchip (2) emittierten Strahlung durch die Nanopartikel verhindert wird.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Nanopartikel einen Durchmesser von kleiner oder gleich 40 nm aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine Dichte der Nanopartikel ausgehend vom Halbleiterchip (2) hin zur Auskoppelfläche (7) graduell abnimmt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Anteil an Nanopartikeln in einer an den Halbleiterchip (2) angrenzenden Schicht der Vergussmasse (3) wenigstens 40 Gew-% beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Nanopartikel oberflächenfunktionalisiert sind und/oder wobei die Nanopartikel Ladungen auf ihrer Oberfläche tragen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Bauelement (1) ein Wellenlängenkonversionselement (8) aufweist das zumindest teilweise im Strahlengang der vom Halbleiterchip (2) emittierten Strahlung angeordnet ist, und wobei das Wellenlängenkonversionselement (8) dazu ausgebildet ist die emittierte Strahlung zumindest teilweise in eine weitere Strahlung mit einer von der emittierten Strahlung unterschiedlichen Wellenlänge zu konvertieren.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) nach einem der vorigen Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen der Halbleiterchips (2); – Bereitstellen des strahlungsdurchlässigen Materials (4) zur Ausbildung der Vergussmasse (3); – Einbringen des anorganischen Füllstoffs (5) umfassend eine Vielzahl von Nanopartikeln in das strahlungsdurchlässige Material (4), wobei der Füllstoff (5) homogen im strahlungsdurchlässigen Material (4) verteilt ist; – Anordnen der Vergussmasse (3) um den Halbleiterchip (2), so dass der Halbleiterchip (2) vollständig von der Vergussmasse (3) umhüllt ist; – Verteilen des anorganischen Füllstoffs (5) im strahlungsdurchlässigen Material (4) derart, dass die Konzentration des Füllstoffs (5) im strahlungsdurchlässigen Material (4) ausgehend vom Halbleiterchip (2) hin zur Auskoppelfläche (7) abnimmt, so dass die Vergussmasse (3) einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verteilen des anorganischen Füllstoffs (5) durch ein Zentrifugieren der Vergussmasse (3) oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes an dem Bauelement (1) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen der Halbleiterchips (2); – Bereitstellen des strahlungsdurchlässigen Materials (4) zur Ausbildung der Vergussmasse (3); – Einbringen des anorganischen Füllstoffs (5) umfassend eine Vielzahl von Nanopartikeln in das strahlungsdurchlässige Material (4); – Anordnen einer ersten Schicht der Vergussmasse (3) um den Halbleiterchip (2); – Sukzessives Anordnen wenigstens einer weiteren Schicht der Vergussmasse (3) um den Halbleiterchip (2), wobei eine vorhergehend angeordnete Schicht der Vergussmasse (3) eine höhere Konzentration an anorganischem Füllstoff (5) aufweist als jede weitere nachfolgend angeordnete Schicht der Vergussmasse (3), so dass die Vergussmasse (3) einen gezielt graduell eingestellten Gesamtbrechungsindex aufweist.