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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement.
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Halbleiterchips, die elektromagnetische Strahlung emittieren, beispielsweise LED-Chips und LED-Packages mit solchen Chips, haben herkömmlich insbesondere rechteckige Abmessungen. Die Auskoppellinsen der LED-Packages sind häufig elliptisch oder sogar rotationssymmetrisch kreisförmig geformt, um eine rotationsunabhängige Aufnahme mit Pickup-Werkzeugen zu ermöglichen. Daher ist der Abstand im Eckbereich des rechteckigen Halbleiterchips zur kreisförmigen Linsenoberfläche wesentlich kleiner als im Bereich der Chipmitte.
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Ein geringerer Abstand vom Chip zur Linsenoberfläche hat zur Folge, dass die Wirksamkeit der Linse hinsichtlich Formung des Lichts abnimmt und damit auch die Möglichkeit zur Beeinflussung der Lichtverteilungskurve. Weiterhin können Auskopplungsverluste durch Totalreflexion in diesem Bereich auftreten. Zudem kann sich ein nicht rotationssymmetrisches Abstrahlprofil ergeben, da sich die Lichtverteilungskurve im Eckbereich des Chips und der Chipmitte unterscheiden.
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Es ist wünschenswert, ein optoelektronisches Bauelement abzugeben, das ein effektives Lichtauskoppeln ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein optoelektronisches Bauelement mindestens einen Halbleiterchip, der zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung geeignet ist. Das optoelektronische Bauelement umfasst ein Strahlformungselement, durch das zumindest ein Teil der von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung tritt und das eine optische Achse aufweist. Das Strahlformungselement weist eine äußere Kontur bezüglich eines zur optischen Achse senkrechten Koordinatensystems auf. Die Kontur stellt eine Kurve dar, die spiegelsymmetrisch zu beiden Mittelachsen einer von der Kontur einbeschriebenen Ellipse ist. In jedem der vier gleichen Abschnitte zwischen den jeweiligen Mittelachsen folgen aufeinander: ein Ellipsensegment, ein linearer Teil, ein zweites Ellipsensegment, ein weiterer linearer Teil und ein drittes Ellipsensegment.
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Gemäß weiterer Aspekte umfasst die Erfindung ein optoelektronisches Bauelement, das mindestens einen Halbleiterchip aufweist, der zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung geeignet ist. Das optoelektronische Bauelement umfasst ein Strahlformungselement, durch das zumindest ein Teil der von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung tritt und das eine optische Achse aufweist. Das Strahlformungselement weist eine äußere Kontur bezüglich eines zur optischen Achse senkrechten Koordinatensystems auf, die entlang einer Diagonale des Halbleiterchips von einer Kreisform abweicht, so dass das Strahlformungselement eine rotationssymmetrische Abstrahlcharakteristik aufweist.
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Das Strahlformungselement ist insbesondere eine Auskoppellinse. Die Auskoppellinse weist in mindestens einem horizontalen Schnitt parallel zur Substratebene des Halbleiterchips auf, dessen Kontur zwischen der einbeschriebenen Ellipse und dem Umschreibenden Rechteck liegt. Die Kontur beziehungsweise die Kurve ist spiegelsymmetrisch zu beiden Mittelachsen. Die Kurve umfasst vier gleiche Abschnitte, die jeweils durch Spiegelung an den Mittelachsen aneinander übergeführt werden können. Die Abschnitte grenzen jeweils direkt an den nächsten Abschnitt an.
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Dadurch, dass das Strahlformungselement gemäß Ausführungsformen spiegelsymmetrisch zu beiden Mittelachsen ist und von einer reinen elliptischen oder rotationssymmetrisch kreisförmigen Kontur abweicht, weist das optoelektronische Bauelement eine hohe Auskoppeleffizienz auf, da die Totalreflexion insbesondere im Eckbereich des Halbleiterchips verringert ist. Zudem ist das Strahlformungselement in Bezug auf den Halbleiterchip mit einer kompakten Abmessung dimensionierbar. Dadurch ist das optoelektronische Bauelement kostengünstig herstellbar. Somit ist ein Strahlformungselement gegeben, dass zwei Symmetrieebenen aufweist und eine sehr gute Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung aus dem Halbleiterchip ermöglicht und die gleichzeitig verhältnismäßig klein ist bezogen auf die Chipgröße und dennoch eine rotationssymmetrische Abstrahlung ermöglicht.
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Gemäß Ausführungsformen weicht die Kurve von einer rechteckigen Form ab. Dadurch ist das Strahlformungselement gut automatisch handhabbar, da es eine gute Toleranz gegenüber Verdrehung des optoelektronischen Bauelements beziehungsweise des Strahlformungselements in Bezug auf das automatische Kreiselement aufweist. Beispielsweise erfolgt die automatische Handhabung mit Unterdruckansaugrüsseln, die in einem flachen Bereich des optoelektronischen Bauelements greifen. Die Toleranz gegenüber Verdrehung des Bauelements ist beispielsweise +/–10%. Dadurch können herstellungsbedingte Beschädigungen insbesondere an dem Strahlformungselement vermieden werden.
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Das Strahlformungselement ermöglicht also eine möglichst kompakte Linse, die gleichzeitig eine hohe Auskoppeleffizienz aufweist, eine symmetrische Abstrahlcharakteristik des Bauelements ermöglicht und zudem robust gegenüber Fertigungstoleranzen ist. Herkömmlich wird eine hohe Auskoppeleffizienz, eine geeignete rotationssymmetrische Abstrahlcharakteristik und die Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen mit großen Linsen erfüllt, was zu höheren Kosten führt.
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Das Strahlformungselement ist gemäß Ausführungsformen aus einem Silikon. Beispielsweise weist das Strahlformungselement einen Brechungsindex von 1,41 auf. Gemäß weiterer Ausführungsformen weist das Strahlformungselement einen Brechungsindex von 1,54 auf.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen schließen das Ellipsensegment und das dritte Ellipsensegment gemeinsam einen Winkel ein, der größer als 0° ist und < oder = 30° ist. Der Winkel ist vorgegeben und kommt durch die maximal erforderliche Toleranz hinsichtlich Verdrehung des Bauelements bei der automatischen Handhabung in der Fertigung. Je größer der Winkel ist, desto größer ist die Toleranz hinsichtlich einer Verdrehung. Dies bedeutet, dass auch bei einer größeren Verdrehung des Greifelements in Bezug auf das optoelektronische Bauelement beziehungsweise das Strahlformungselement das Bauelement gegriffen werden kann, ohne das Strahlformungselement zu beschädigen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen entspricht das Verhältnis von linearer Teil zu weiterer linearer Teil dem Verhältnis von weiterer Mittelachse zu Mittelachse. Dadurch ist eine kompakte Linse mit einer guten Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen ermöglicht.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen weist das zweite Ellipsensegment eine erste und eine zweite Halbachse auf. Die Länge der ersten Halbachse ist > oder = 0 und < oder = 1/3 der Länge der Mittelachse. Die Länge der zweiten Halbachse ist > oder = 0 und < oder = 1/3 der Länge der weiteren Mittelachse. Die Länge der Halbachsen und damit die Form des zweiten Ellipsensegments wird jeweils vorgegeben durch den Linsenherstellungsprozess. Beispielsweise liegt die Länge des zweiten Ellipsensegments zwischen 0,05 mm und 0,5 mm.
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Gemäß weiterer Ausführungsformen sind die beiden Mittelachsen der einbeschriebenen Ellipse gleich lang. Die einbeschriebene Ellipse ist gemäß Ausführungsformen ein Kreis. Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Beispiel. Dabei können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein Strahlformungselement gemäß einer Ausführungsform,
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2 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein Strahlformungselement mit einem Pickup-Werkzeug gemäß einer Ausführungsform, und
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3A und 3B eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch ein Strahlformungselement 1 quer zu einer optischen Achse 2 des Strahlformungselements 1. Die Schnittansicht ist in der Ebene eines Koordinatensystems 3, 4, das senkrecht zur optischen Achse 2 ausgerichtet ist. Das Strahlformungselement weist eine äußere Kontur 5 auf. Das Strahlformungselement ist insbesondere eine Linse, die mit einem Halbleiterchip 8 (3A) koppelbar ist.
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Die Kontur 5 stellt eine Kurve n dar, die eine Ellipse e einschreibt. Die Ellipse e weist zwei Mittelachsen a1 und a2 auf. Die Kontur 5 beziehungsweise die Kurve n ist spiegelsymmetrisch zu beiden Mittelachsen a1 und a2. Das Strahlformungselement 1 beziehungsweise die Kurve n ist spiegelsymmetrisch bezüglich einer Spiegelung an einer Ebene durch die erste Achse 3 des Koordinatensystems und die optische Achse 5 sowie bezüglich einer Spiegelung an einer Ebene durch die zweite Achse 4 des Koordinatensystems und die optische Achse 5. Das Strahlformungselement 1 ist quadrantensymmetrisch.
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Durch die Formgebung des Strahlformungselements 1 wird ein Teil der von einem mit dem Strahlformungselement 1 gekoppelten Halbleiterchips im Betrieb emittiert elektromagnetischen Strahlung gebrochen. Mit dem Strahlformungselement 1 ist eine rotationssymmetrische Strahlformung möglich, obwohl das Strahlformungselement 1 nicht rotationssymmetrisch ist.
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In jedem Quadranten zwischen den Mittelachsen a1 und a2, die insbesondere mit den Achsen 3 und 4 des Koordinatensystems korrespondieren, sind drei Ellipsensegmente b1, b2 und d sowie zwei lineare Teile c1 und c2 angeordnet.
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Beginnend an dem Schnittpunkt der Kurve n mit der Mittelachse a1 ist zuerst das Ellipsensegment e1 angeordnet. Nachfolgend ist der lineare Teil c1 angeordnet. An den linearen Teil c1 schließt das zweite Ellipsensegment d an. An das zweite Ellipsensegment d schließt der weitere lineare Teil c2 an. An den weiteren linearen Teil c2 schließt das dritte Ellipsensegment b2 an. Das Ende des dritten Ellipsensegment b2 liegt an dem Schnittpunkt der Kurve n mit der zweiten Mittelachse a2.
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Im nächsten Quadranten wiederholt sich die Abfolge von Ellipsensegmenten und linearen Teilen. Entsprechend schließt also an das dritte Ellipsensegment b2 am Schnittpunkt der Kurve n mit der zweiten Mittelachse a2 wiederum das erste Ellipsensegment b1 an.
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Die Ellipsensegmente b1 und b2 schließen einen Winkel 6 ein. Der Winkel 6 liegt zwischen einer Verbindung des Beginns des dritten Ellipsensegments b2 und der optischen Achse 2 in der Ebene des Koordinatensystems 3, 4 und dient der Verbindung des Endes des Ellipsensegments b1 und der optischen Achse 2. Der Winkel 6 liegt insbesondere in einem Bereich zwischen 0 und 30°. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Winkel 6 einen Wert von 20° auf.
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Der Winkel 6 gibt vor, wie weit die linearen Bereiche c1 und c2 in Bezug auf die Mittelachsen a1 und a2 jeweils geneigt sind. Wie näher in Verbindung mit 2 erläutert, bedeutet ein größerer Winkel 6 und damit eine stärkere Neigung der linearen Teile c1 und c2 eine größere Toleranz hinsichtlich Verdrehung bei der automatischen Handhabung während der Fertigung.
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Zwischen dem linearen Teil c1 und dem linearen Teil c2 ist das zweite Ellipsensegment d angeordnet. Der Übergang zwischen den linearen Bereichen c1 und c2 ist also elliptisch ausgebildet und nicht spitz. Die Länge des Bereichs d wird durch den Linsenherstellungsprozess festgelegt und liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 mm.
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Das Ellipsensegment d weist eine erste Halbachse auf, deren Länge zwischen 0 und 1/3 der Länge von a1 liegt. Die zweite Halbachse des Ellipsensegments d weist eine Länge auf, die zwischen 0 und 1/3 der Länge der Mittelachse a2 liegt. Die linearen Teile c1 und c2 weisen jeweils eine Länge auf, so dass das Verhältnis der Länge des linearen Teils c1 zu der Länge des linearen Teils c2 gleich ist zu dem Verhältnis aus der Länge der Mittelachse a2 zu der Länge der Mittelachse a1.
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Gemäß Ausführungsformen sind die beiden Mittelachsen a1 und a2 gleich lang. Gemäß weiterer Ausführungsformen ist die Länge der Mittelachse a1 unterschiedlich zu der Länge der Mittelachse a2. Gemäß Ausführungsformen weist der Winkel 6 einen Wert von 0° auf und die Mittelachsen des Ellipsensegments weisen jeweils einen Wert von 0 auf. Somit beschreibt die Kurve n eine quadratische Form.
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Durch das Strahlformungselement mit der Kontur 5, die die Kurve n beschreibt, ist es möglich, bei einer vorgegebenen Packagegröße für das optoelektronische Bauelement und einer vorgegebenen Größe des Halbleiterchips, der insbesondere rechteckig und beispielsweise quadratisch ist, die Größe des Strahlformungselements bei gleichbleibender Lichtauskoppeleffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Linsen zu reduzieren. Bei gleichbleibender Linsengröße ist es möglich, die Auskoppeleffizienz zu erhöhen.
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Beispielsweise kann die Mindestgröße für eine Linse berechnet werden mit dem Produkt aus Brechungsindex des Linsenmaterials und Halbleiterchipgröße. Bei rechteckigen Halbleiterchips ergibt sich somit für die Diagonale des Halbleiterchips die Mindestlinsengröße, so dass möglichst wenig Totalreflexion am Übergang von Linse zu Luft auftritt beziehungsweise die Totalreflexion nahezu vollständig vermieden werden kann. Für Linsen mit einer elliptischen, rotationssymmetrischen Kontur wird die so berechnete Mindestlinsengröße für die gesamte Linse gewählt, obwohl in Bereichen der Linse, die mit Bereichen des Halbleiterchips außerhalb der Diagonale des Halbleiterchips korrespondieren, eine kleinere Linsengröße ausreichen würde, um Totalreflexion zu vermeiden. Dies führt herkömmlich zu verhältnismäßig großen Linsen in Bezug auf die Größe des Halbleiterchips.
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Die Kontur 5 des Strahlformungselements 1 weist gemäß Ausführungsformen entlang der Mittelachsen a1 und a2 jeweils einen geringeren Durchmesser auf als entlang der Verbindung 9 zwischen dem Ellipsensegment d und dem gegenüberliegenden Ellipsensegment. Die Kontur 5 weicht von einer Kreisform ab. Die Verbindung 9 korrespondiert im Betrieb mit der Diagonale des Halbleiterchips. Somit ist die Größe des Strahlformungselements bei vorgegebener Größe des Halbleiterchips im Vergleich zu herkömmlichen Linsen reduziert und dabei wird die Totalreflexion ausreichen vermieden.
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2 zeigt schematisch das Strahlformungselement 1 sowie ein Werkzeug 7 zum Greifen des Strahlformungselements 1 während der automatischen Handhabung bei der Fertigung. Zudem ist gestrichelt ein in Bezug auf das Strahlformungselement verdrehtes Werkzeug 7a dargestellt.
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Das Werkzeug 7 ist in Bezug auf das Strahlformungselement optimal ausgerichtet. Somit ist ein möglichst zerstörungsfreies Anheben und Transportieren des Strahlformungselements 1 durch das Werkzeug 7 gegeben. Das Werkzeug berührt den flachen Teil (3A und 3B) des Strahlformungselements 1 außerhalb der Kontur 5.
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Durch die Kontur 5, die die Kurve n beschreibt, ist auch ein zerstörungsfreies Greifen und Transportieren des Strahlformungselements 1 mit dem verdrehten Werkzeug 7 möglich. Dadurch, dass die linearen Teile c1 und c2 geneigt und nicht senkrecht zu den Mittelachsen a1 und a2 ausgerichtet sind, stößt das verdrehte Werkzeug 7a nicht gegen das Ellipsensegment d oder andere Ecken der Kontur 5. Somit toleriert das Strahlformungselement 1 eine Verdrehung des Werkzeuges 7 beziehungsweise 7a bei der automatischen Handhabung. Das Strahlformungselement toleriert insbesondere eine Verdrehung des Werkzeugs 7 beziehungsweise 7a um einen Winkel, dessen Wert zwischen 0° und der Hälfte des Wertes des Winkels 6 liegt.
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Gemäß dem gezeigten Beispiel wird ein rechteckiges Greifwerkzeug 7 verwendet. Trotz der Verdrehung des Werkzeugs 7a berührt das Greifwerkzeug 7a den Linsenkörper also die Kontur 5 nicht und eine Beschädigung des Strahlformungselements 1 kann vermieden werden. Beispielsweise weist das Strahlformungselement 1 eine Toleranz gegenüber der Verdrehung in Bezug auf das Werkzeug 7 von bis zu ±10° auf.
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In 3A und 3B ist ein Ausführungsbeispiel für das Strahlformungselement 1 gezeigt. Dabei zeigt 3a eine schematische räumliche Darstellung und 3b eine Draufsicht auf das Strahlformungselement 1.
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Das Strahlformungselement wie in 3A und 3B dargestellt, weist einen Winkel 6 von 20° auf. Die beiden Halbachsen des Ellipsensegments d weisen eine Wert von 0,3 mm auf.
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In 3b ist zudem ein Halbleiterchip 8 dargestellt, der zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung geeignet ist. Das Strahlformungselement 1 ist auf einer Hauptfläche des Halbleiterchips 8 angeordnet. Aus der Hauptfläche 8 tritt im Betrieb ein Großteil der emittierten Strahlung aus.
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Das Halbleiterbauelement umfasst das Strahlformungselement 1 und den Halbleiterchip 8. Das Halbleiterbauelement ist ein optoelektronisches Bauelement, das die Umwandlung von elektrisch erzeugten Daten oder Energie in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Der Halbleiterchip 8 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip, vorzugsweise ein strahlungs Das Halbleiterbauelement ist vorzugsweise ein optoelektronisches Bauelement, das die Umwandlung von elektrisch erzeugten Daten oder Energie in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Das Halbleiterbauelement weist zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip auf, vorzugsweise einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist bevorzugt eine LED (Licht emittierende Diode).
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Das Halbleiterbauelement ist vorzugsweise ein optoelektronisches Bauelement, das die Umwandlung von elektrisch erzeugten Daten oder Energie in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Das Halbleiterbauelement weist zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip auf, vorzugsweise einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist bevorzugt eine LED (Licht emittierende Diode).
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Der Halbleiterchip weist einen Halbleiterschichtenstapel auf, in dem eine aktive Schicht enthalten ist. Die aktive Schicht ist insbesondere geeignet zur Erzeugung einer Strahlung einer ersten Wellenlänge. Hierzu enthält die aktive Schicht vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW, Single Quantum Well) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, Multi Quantum Well) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnungen Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Der Halbleiterschichtenstapel des Halbleiterchips enthält vorzugsweise ein III/V-Halbleitermaterial. III/V-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten, über den sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich besonders geeignet.
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Halbleiterchip 8 weist eine quadratische äußere Kontur auf. Das Strahlformungselement 1 ermöglicht eine rotationssymmetrische Abstrahlung der von dem Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung. Dabei wird die Reflexion innerhalb der Linse unterbunden beziehungsweise reduziert und dadurch die Auskoppeleffizienz erhöht. Zudem ist das Strahlformungselement 1 bei gleicher Auskoppeleffizienz kleiner als herkömmliche rotationssymmetrische Strahlformungselemente.
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Theoretisch würde ein Strahlformungselement mit einer quadratischen Kontur die höchste Auskoppeleffizienz aufweisen. Diese Kontur würde jedoch eine geringe Toleranz gegenüber Verdrehungen des Werkzeugs bei der automatischen Handhabung während der Fertigung bedeuten. Die Gefahr einer Beschädigung des Strahlformungselements während der Herstellung ist sehr groß. Daher würde eine quadratische Kontur nicht alle geforderten Anforderungen ausreichend gut erfüllen.
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Das Strahlformungselement 1 dessen Kontur 5 die Kurve n beschreibt weist sowohl eine hohe Auskoppeleffizienz auf, die nahe der Auskoppeleffizienz einer quadratischen Kontur liegt, und ist gleichzeitig besonders tolerant gegenüber Verdrehungen während der automatischen Handhabung bei der Fertigung.
