DE102013222702A1

DE102013222702A1 - Optoelektronisches Bauelement, optoelektronische Anordnung, Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements und Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102013222702A1
Application number: DE201310222702
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwarz; Frank Singer; Alexander Linkov; Stefan Illek; Wolfgang Mönch
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-05-13
Also published as: WO2015067612A1; KR20160084382A; JP6220461B2; US20160276556A1; CN105684173A; US10916686B2; JP2017504220A; CN105684173B

Abstract

Ein optoelektronisches Bauelement umfasst einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer Strahlungsemissionsfläche. Über der Strahlungsemissionsfläche ist ein optisches Element angeordnet. Das optische Element weist ein Material auf, in das lichtstreuende Partikel eingebettet sind. Eine Konzentration der eingebetteten lichtstreuenden Partikel weist einen Gradienten auf, der mit der Strahlungsemissionsfläche einen von 90° abweichenden Winkel einschließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1, eine optoelektronische Anordnung gemäß Patentanspruch 8, ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements gemäß Patentanspruch 10 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements gemäß Patentanspruch 15.
Optoelektronische Bauelemente, beispielsweise Leuchtdioden-Bauelemente, die dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung seitlich abzustrahlen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es ist bekannt, solche optoelektronischen Bauelemente beispielsweise zur Hinterleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen zu verwenden. Dabei werden die optoelektronischen Bauelemente so angeordnet, dass die von ihnen emittierte Strahlung seitwärts in einen Lichtleiter eingestrahlt wird. Die zur seitlichen Ablenkung der Strahlung erforderlichen optischen Komponenten bekannter optoelektronischer Bauelemente begrenzen die Möglichkeiten, eine Dicke solcher bekannter Anordnungen zu reduzieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optoelektronische Anordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine optoelektronische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein optoelektronisches Bauelement umfasst einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer Strahlungsemissionsfläche. Über der Strahlungsemissionsfläche ist ein optisches Element angeordnet. Das optische Element weist ein Material auf, in das lichtstreuende Partikel eingebettet sind. Eine Konzentration der eingebetteten lichtstreuenden Partikel weist einen Gradienten auf, der mit der Strahlungsemissionsfläche einen von 90° abweichenden Winkel einschließt.
Vorteilhafterweise bewirkt der geneigte Konzentrationsgradient der in das Material des optischen Elements dieses optoelektronischen Bauelements eingebetteten lichtstreuenden Partikel eine seitliche Ablenkung einer durch den optoelektronischen Halbleiterchip dieses optoelektronischen Bauelements an seiner Strahlungsemissionsfläche emittierten elektromagnetischen Strahlung. Dadurch eignet sich das optoelektronische Bauelement vorteilhafterweise dazu, elektromagnetische Strahlung in einen seitlich neben dem optoelektronischen Bauelement angeordneten und parallel zur Strahlungsemissionsfläche des optoelektronischen Halbleiterchips orientierten Lichtleiter einzukoppeln. Durch die seitliche Ablenkung der durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung ist es dabei nicht erforderlich, die Strahlungsemissionsfläche des optoelektronischen Halbleiterchips dem Lichtleiter zuzuwenden. Dies ermöglicht es, den optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements flach auf einem Träger anzuordnen, was eine gute Wärmeanbindung des optoelektronischen Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements ermöglicht. Außerdem kann das optoelektronische Bauelement dadurch beispielsweise als oberflächenmontierbares SMD-Bauelement ausgebildet sein, was eine einfache und kostengünstige Montage des optoelektronischen Bauelements ermöglicht.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements beträgt der Winkel zwischen 35° und 55°. Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen 40° und 50°. Beispielsweise kann der Winkel etwa 45° betragen. Vorteilhafterweise wird dadurch erreicht, dass an der Strahlungsemissionsfläche des optoelektronischen Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements in Richtung senkrecht zur Strahlungsemissionsfläche emittierte elektromagnetische Strahlung durch das optische Element etwa rechtwinklig abgelenkt wird.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das Material ein Silikon, ein Polycarbonat oder ein Glas auf. Vorteilhafterweise bildet das Material dadurch eine optisch im Wesentlichen transparente Matrix, die die eingebetteten lichtstreuenden Partikel trägt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weisen die lichtstreuenden Partikel eine mittlere Größe zwischen 200 nm und 50 µm auf. Vorteilhafterweise bewirken die lichtstreuenden Partikel dadurch eine wirksame Streuung von durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittierter elektromagnetischer Strahlung.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weisen die lichtstreuenden Partikel TiO₂, Al₂O₃, Hf₂O₅ oder SiO₂ auf. Vorteilhafterweise bewirken die lichtstreuenden Partikel dadurch eine wirksame Streuung von durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittierter elektromagnetischer Strahlung.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das optische Element über der Strahlungsemissionsfläche in Richtung senkrecht zur Strahlungsemissionsfläche eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm auf. Bevorzugt weist das optische Element eine Dicke von weniger als 0,3 mm auf. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, das optoelektronische Bauelement mit insgesamt sehr geringer Dicke (Höhe) auszubilden. Die geringe Dicke des optischen Elements ermöglicht es zudem, durch den optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierte elektromagnetische Strahlung in einen Lichtleiter geringer Dicke einzukoppeln.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements sind zusätzlich wellenlängenkonvertierende Partikel in das Material des optischen Elements eingekoppelt. Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können dabei beispielsweise als organischer Leuchtstoff oder als anorganischer Leuchtstoff ausgebildet sein. Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können auch Quantenpunkte umfassen. Die in das Material des optischen Elements eingebetteten wellenlängenkonvertierenden Partikel können dazu dienen, eine Wellenlänge einer durch den optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierten elektromagnetischen Strahlung zu konvertieren. Der optoelektronische Halbleiterchip kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich zu emittieren. Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können beispielsweise dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in elektromagnetische Strahlung mit einer weißen Spektralverteilung zu konvertieren.
Eine optoelektronische Anordnung umfasst ein optoelektronisches Bauelement der vorgenannten Art und einen Lichtleiter. Dabei ist der Lichtleiter seitlich neben dem optischen Element angeordnet. Vorteilhafterweise kann das optoelektronische Bauelement dieser optoelektronischen Anordnung elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht, in den Lichtleiter einkoppeln. Die optoelektronische Anordnung eignet sich dadurch beispielsweise zur Hintergrundbeleuchtung in einem Flüssigkristallbildschirm. Vorteilhafterweise kann die optoelektronische Anordnung in Richtung senkrecht zur Strahlungsemissionsfläche des optoelektronischen Halbleiterchips sehr dünn ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung ist der Lichtleiter parallel zur Strahlungsemissionsfläche orientiert. Vorteilhafterweise kann dadurch in dem optischen Element des optoelektronischen Bauelements der optoelektronischen Anordnung abgelenkte elektromagnetische Strahlung in den Lichtleiter eingekoppelt und durch den Lichtleiter transportiert werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements umfasst Schritte zum Ausbilden eines Blocks eines Materials mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln, wobei eine Konzentration der eingebetteten lichtstreuenden Partikel einen Gradienten aufweist, und zum Zerteilen des Blocks, um ein optisches Element mit einer Unterseite zu erhalten, wobei der Gradient mit der Unterseite einen von 90° abweichenden Winkel einschließt. Das durch dieses Verfahren erhältliche optische Element ermöglicht eine Ablenkung einer an der Unterseite in Richtung senkrecht zur Unterseite in das optische Element eintretenden elektromagnetischen Strahlung. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren eine einfache und kostengünstige Herstellung des optischen Elements.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden zum Ausbilden des Blocks Schritte durchgeführt zum Bereitstellen einer Schicht des Materials mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln, zum Absinkenlassen der lichtstreuenden Partikel in dem Material derart, dass sich der Konzentrationsgradient ausbildet, und zum Aushärten des Materials der Schicht, um den Block zu bilden. Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine besonders einfache und kostengünstige Ausbildung des Blocks mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln, deren Konzentration einen Gradienten aufweist. Dabei wird vorteilhafterweise die Schwerkraft genutzt, um den Gradienten auszubilden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden zum Ausbilden des Blocks Schritte durchgeführt zum Bereitstellen einer ersten Schicht des Materials und einer zweiten Schicht des Materials, wobei die erste Schicht eine erste Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel aufweist und die zweite Schicht eine zweite Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel aufweist, und zum flächigen Verbinden der ersten Schicht und der zweiten Schicht, um den Block zu bilden. Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine besonders genaue Kontrolle über die Gestalt des Konzentrationsgradienten der in das Material des Blocks eingebetteten lichtstreuenden Partikel. Das flächige Verbinden der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann beispielsweise durch Verkleben der Schichten mittels eines Klebstoffs erfolgen. Alternativ können die erste Schicht und die zweite Schicht miteinander verbunden werden, bevor das Material der ersten Schicht und der zweiten Schicht vollständig ausgehärtet sind. Dies kann es ermöglichen, auf eine Verwendung eines separaten Klebstoffs zu verzichten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird zum Ausbilden des Blocks ein Schritt durchgeführt zum Coextrudieren einer ersten Schicht des Materials und einer zweiten Schicht des Materials, wobei die erste Schicht eine erste Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel aufweist und die zweite Schicht eine zweite Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel aufweist, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht aufeinander liegend coextrudiert werden, um den Block zu bilden. Vorteilhafterweise ermöglicht auch dieses Verfahren eine genau kontrollierbare Gestaltung des Konzentrationsgradienten der in das Material des Blocks eingebetteten lichtstreuenden Partikel. Durch das Coextrudieren der den Block bildenden Schichten ist ein nachträgliches Verbinden der Schichten vorteilhafterweise nicht erforderlich.
In einer Ausführungsform der Verfahren wird der Block aus mehr als zwei Schichten gebildet. Vorteilhafterweise kann die Gestalt des Konzentrationsgradienten der in das Material des Blocks eingebetteten lichtstreuenden Partikel dadurch besonders fein modelliert werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements umfasst Schritte zum Herstellen eines optischen Elements nach einem Verfahren der vorgenannten Art, zum Bereitstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips mit einer Strahlungsemissionsfläche, und zum Anordnen des optischen Elements über der Strahlungsemissionsfläche. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine einfache und kostengünstige Herstellung des optoelektronischen Bauelements. Das optische Element des durch dieses Verfahren erhältlichen optoelektronischen Bauelements kann vorteilhafterweise durch den optoelektronischen Halbleiterchip des optoelektronischen Bauelements emittierte elektromagnetische Strahlung ablenken.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
1 eine geschnittene Seitenansicht einer optoelektronischen Anordnung;
2 eine geschnittene Seitenansicht einer Schicht eines Materials mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln;
3 eine geschnittene Seitenansicht der Schicht nach einem Absinken der lichtstreuenden Partikel;
4 eine geschnittene Seitenansicht eines aus der Schicht gebildeten Blocks zur Herstellung einer Mehrzahl optischer Elemente;
5 eine Mehrzahl von Teilschichten zur Herstellung eines Blocks;
6 eine geschnittene Seitenansicht eines aus den Teilschichten gebildeten Blocks;
7 eine geschnittene Seitenansicht einer Mehrzahl coextrudierter Teilschichten zur Herstellung eines Blocks; und
8 eine geschnittene Seitenansicht eines aus den coextrudierten Schichten gebildeten Blocks.
1 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht einer optoelektronischen Anordnung 100. Die optoelektronische Anordnung 100 kann beispielsweise zur Hintergrundbeleuchtung in einem Flüssigkristallbildschirm (LCD) dienen. Beispielsweise kann die optoelektronische Anordnung 100 zur Hintergrundbeleuchtung in einem Flüssigkristallbildschirm eines tragbaren elektronischen Geräts, etwa eines Mobiltelefons, dienen.
Die optoelektronische Anordnung 100 umfasst ein optoelektronisches Bauelement 200. Das optoelektronische Bauelement 200 dient zur Erzeugung und Lenkung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere sichtbarem Licht.
Das optoelektronische Bauelement 200 umfasst einen optoelektronischen Halbleiterchip 210. Der optoelektronische Halbleiterchip 210 weist eine Strahlungsemissionsfläche 211 auf. Der optoelektronische Halbleiterchip 210 ist dazu ausgebildet, an seiner Strahlungsemissionsfläche 211 elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht, zu emittieren. Der optoelektronische Halbleiterchip 210 kann beispielsweise als Leuchtdiodenchip (LED-Chip) ausgebildet sein.
An einer der Strahlungsemissionsfläche 211 gegenüberliegenden Unterseite des optoelektronischen Halbleiterchips 210 können Lötkontaktflächen des optoelektronischen Halbleiterchips 210 ausgebildet sein. In diesem Fall kann das optoelektronische Bauelement 200 als für eine Oberflächenmontage geeignetes SMD-Bauelement ausgebildet sein. Die an der Unterseite des optoelektronischen Halbleiterchips 210 angeordneten Lötkontaktflächen können beispielsweise für eine elektrische Kontaktierung durch Wiederaufschmelzlöten (Reflow-Löten) vorgesehen sein.
Das optoelektronische Bauelement 200 umfasst ferner ein optisches Element 300. Das optische Element 300 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist eine Oberseite 301 und eine der Oberseite 301 gegenüberliegende Unterseite 302 auf. Außerdem weist das optische Element 300 eine erste Seitenfläche 304 und eine der ersten Seitenfläche 304 gegenüberliegende zweite Seitenfläche 305 auf. Die erste Seitenfläche 304 und die zweite Seitenfläche 305 sind jeweils senkrecht zur Oberseite 301 und zur Unterseite 302 des optischen Elements 300 orientiert.
Zwischen der Oberseite 301 und der Unterseite 302 weist das optische Element 300 eine senkrecht zur Unterseite 302 bemessene Dicke 303 auf. Die Dicke 303 des optischen Elements 300 liegt bevorzugt zwischen 0,1 mm und 1 mm. Besonders bevorzugt ist die Dicke 303 des optischen Elements 300 kleiner als 0,3 mm.
Das optische Element 300 ist über der Strahlungsemissionsfläche 211 des optoelektronischen Halbleiterchips 210 angeordnet. Dabei ist die Unterseite 302 des optischen Elements 300 der Strahlungsemissionsfläche 211 zugewandt und steht bevorzugt mit dieser in Kontakt. Die Größe der Unterseite 302 des optischen Elements 300 entspricht bevorzugt etwa der Größe der Strahlungsemissionsfläche 211 des optoelektronischen Halbleiterchips 210. An der Strahlungsemissionsfläche 211 des optoelektronischen Halbleiterchips 210 emittierte elektromagnetische Strahlung kann durch die Unterseite 302 in das optische Element 300 gelangen.
Das optische Element 300 weist eine Matrix 310 aus einem optisch im Wesentlichen transparenten Material auf. Beispielsweise kann die Matrix 310 des optischen Elements 300 ein Silikon, Polycarbonat oder ein Glas aufweisen. In die Matrix 310 des optischen Elements 300 sind lichtstreuende Partikel 320 eingebettet. Die lichtstreuenden Partikel 320 können beispielsweise TiO₂, Al₂O₃, Hf₂O₅ oder SiO₂ aufweisen. Die lichtstreuenden Partikel 320 weisen eine mittlere Größe 321 auf, die in der schematischen Ansicht der 1 stark übertrieben dargestellt ist. Die mittlere Größe 321 der lichtstreuenden Partikel 320 kann beispielsweise zwischen 200 nm und 50 µm liegen.
Die lichtstreuenden Partikel 320 sind in der Matrix 310 des optischen Elements 300 nicht homogen verteilt. Stattdessen weist eine Konzentration der in die Matrix 310 des optischen Elements 300 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 einen Konzentrationsgradienten 330 auf, entlang dessen die Konzentration der in die Matrix 310 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 zunimmt. Der Konzentrationsgradient 330 schließt mit der Unterseite 302 des optischen Elements 300 einen Winkel 331 ein. Somit ist der Konzentrationsgradient 330 auch gegenüber der Strahlungsemissionsfläche 211 des optoelektronischen Halbleiterchips 210 unter dem Winkel 331 angeordnet. Der Winkel 331 weist einen von 90° verschiedenen Wert auf. Der Konzentrationsgradient 330 steht also nicht senkrecht auf der Unterseite 302 des optischen Elements 300 und der Strahlungsemissionsfläche 211 des optoelektronischen Halbleiterchips 210. Bevorzugt weist der Winkel 331 einen Wert zwischen 35° und 55° auf. Besonders bevorzugt weist der Winkel 331 einen Wert zwischen 40° und 50° auf. Beispielsweise kann der Winkel 331 einen Wert von 45° aufweisen.
Durch die Zunahme der Konzentration der in die Matrix 310 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 entlang des Konzentrationsgradienten 330 weisen die in die Matrix 310 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 in einem nahe der Unterseite 302 und der ersten Seitenfläche 304 angeordneten ersten Teilbereich des optischen Elements 300 eine niedrigere Konzentration auf als in einem nahe der Oberseite 301 und der zweiten Seitenfläche 305 des optischen Elements 300 angeordneten zweiten Teilbereich des optischen Elements 300. Im ersten Teilbereich des optischen Elements 300 kann die Konzentration der in die Matrix 310 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 beispielsweise 0% betragen. Im zweiten Teilbereich des optischen Elements 300 kann die Konzentration der lichtstreuenden Partikel 320 beispielsweise 25% betragen.
Die Konzentration der in die Matrix 310 des optischen Elements 300 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 kann entlang des Konzentrationsgradienten 330 kontinuierlich zunehmen. Die Konzentration der lichtstreuenden Partikel 320 kann entlang des Konzentrationsgradienten 330 aber auch in Stufen ansteigen. Dabei ist eine höhere Zahl von Stufen gegenüber einer niedrigeren Zahl von Stufen bevorzugt.
Der Konzentrationsgradient 330 der in die Matrix 310 des optischen Elements 300 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 bewirkt eine Ablenkung von an der Unterseite 302 in das optische Element 300 eintretender elektromagnetischer Strahlung. Die Ablenkung erfolgt durch Streuung der elektromagnetischen Strahlung an den lichtstreuenden Partikeln 320. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung entgegen des Konzentrationsgradienten 330 abgelenkt. An der Unterseite 302 des optischen Elements 300 im Wesentlichen in Richtung senkrecht zur Unterseite 302 in das optische Element 300 eintretende elektromagnetische Strahlung wird im optischen Element 300 dadurch in Richtung der ersten Seitenfläche 304 abgelenkt. Ein Großteil an der Unterseite 302 des optischen Elements 300 in das optische Element 300 eintretender Strahlung kann das optische Element 300 somit durch die erste Seitenfläche 304 in im Wesentlichen senkrecht zur ersten Seitenfläche 304 orientierte Richtung verlassen. Ein Teil von an der Unterseite 302 in das optische Element 300 eintretender Strahlung verlässt das optische Element 300 an anderen Oberflächen des optischen Elements 300.
Die optoelektronische Anordnung 100 umfasst neben dem optoelektronischen Bauelement 200 einen Lichtleiter 110. Der Lichtleiter 110 kann beispielsweise als flächiger Lichtleiter ausgebildet sein. Der Lichtleiter 110 ist so neben dem optoelektronischen Bauelement 200 angeordnet, dass an der ersten Seitenfläche 304 des optischen Elements 300 des optoelektronischen Bauelements 200 austretende elektromagnetische Strahlung in den Lichtleiter 110 eintreten und durch den Lichtleiter 110 in eine im Wesentlichen parallel zur Strahlungsemissionsfläche 211 des optischen Halbleiterchips 210 des optoelektronischen Bauelements 200 der optoelektronischen Anordnung 100 orientierte Lichtleitrichtung 111 weitergeleitet werden kann. Die im Lichtleiter 110 weitergeleitete elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise zur Hintergrundbeleuchtung eines Flüssigkristallbildschirms dienen. In Richtung senkrecht zur Lichtleitrichtung 111 weist der Lichtleiter 110 bevorzugt eine Dicke auf, die etwa der Dicke 303 des optischen Elements 300 entspricht.
In die Matrix 310 des optischen Elements 300 können neben den lichtstreuenden Partikeln 320 auch wellenlängenkonvertierende Partikel eingebettet sein. Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können beispielsweise einen organischen oder einen anorganischen Leuchtstoff aufweisen. Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können auch Quantenpunkte umfassen. Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können dazu vorgesehen sein, eine Wellenlänge einer durch den optoelektronischen Halbleiterchip 210 des optoelektronischen Bauelements 200 emittierten elektromagnetischen Strahlung zu konvertieren. Hierzu können die wellenlängenkonvertierenden Partikel dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge zu absorbieren und anschließend elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten, typischerweise größeren, Wellenlänge zu emittieren. Die in die Matrix 310 des optischen Elements 300 eingebetteten wellenlängenkonvertierenden Partikel können beispielsweise dazu vorgesehen sein, von dem optoelektronischen Halbleiterchip 210 emittierte elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in elektromagnetische Strahlung mit einer weißen Spektralverteilung zu konvertieren. Auf ein Einbetten wellenlängenkonvertierender Partikel in die Matrix 310 des optischen Elements 300 kann jedoch auch verzichtet werden.
Anhand der 2 bis 4 sowie 5 bis 6 und 7 bis 8 werden nachfolgend Varianten eines Verfahrens zum Herstellen des optischen Elements 300 des optoelektronischen Bauelements 200 der optoelektronischen Anordnung 100 beschrieben. Einander entsprechende Komponenten werden dabei in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen wie in 1 und nicht erneut detailliert beschrieben.
2 zeigt eine schematisch geschnittene Seitenansicht einer Schicht 410. Die Schicht 410 weist eine Oberseite 401 und eine der Oberseite 401 gegenüberliegende Unterseite 402 auf. Die Schicht 410 weist ein Material auf, das dem Material der Matrix 310 des optischen Elements 300 entspricht, oder aus dem das Material der Matrix 310 des optischen Elements 300 gebildet werden kann. Das Material der Schicht 410 ist nicht vollständig ausgehärtet.
In die Schicht 410 sind lichtstreuende Partikel 320 eingebettet. Die lichtstreuenden Partikel können in der Schicht 410 im Wesentlichen homogen verteilt sein. Die in die Schicht 410 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 können also im Wesentlichen eine homogene Konzentration aufweisen.
Da das Material der Schicht 410 nicht vollständig ausgehärtet ist, können die in die Schicht 410 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 in der Schicht 410 unter dem Einfluss der Schwerkraft in Richtung zur Unterseite 402 der Schicht 410 hin absinken. Dies ist in der schematischen geschnittenen Seitenansicht der 3 dargestellt. Durch das im zeitlichen Verlauf fortschreitende Absinken der in die Schicht 410 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 bildet sich in der Schicht 410 ein Konzentrationsgradient 330 der Konzentration der in die Schicht 410 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 aus. Der Konzentrationsgradient 330 weist von der Oberseite 401 zur Unterseite 402 der Schicht 410 und ist im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 401 und Unterseite 402 der Schicht 410 orientiert.
Sobald sich der Konzentrationsgradient 330 der in die Schicht 410 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 in einem gewünschten Maß ausgebildet hat, kann das Material der Schicht 410 ausgehärtet werden. Das Aushärten des Materials der Schicht 410 kann beispielsweise durch eine thermische Behandlung oder eine Behandlung mit UV-Licht erfolgen.
Durch das Aushärten des Materials der Schicht 410 wird das weitere Absinken der lichtstreuenden Partikel 320 im Material der Schicht 410 unterbunden. Die lichtstreuenden Partikel 320 werden im Material der Schicht 410 fixiert. Somit wird durch das Aushärten des Materials der Schicht 410 aus der Schicht 410 ein erster Block 400 gebildet. Das ausgehärtete Material der Schicht 410 bildet eine Matrix 310 des ersten Blocks 400. Die in die Matrix 310 des ersten Blocks 400 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 weisen in der Matrix 310 eine Konzentration auf, die entlang des Konzentrationsgradienten 330 zunimmt. Der Konzentrationsgradient 330 ist im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 401 und zur Unterseite 402 der Schicht 410 orientiert, die eine Oberseite und eine Unterseite des ersten Blocks 400 bilden. 4 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des ersten Blocks 400.
In einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt kann der erste Block 400 zerteilt werden, um eine Mehrzahl optischer Elemente 300 zu erhalten. Das Zerteilen des ersten Blocks 400 kann beispielsweise durch Zerschneiden des ersten Blocks 400 erfolgen. Der erste Block 400 wird derart zerteilt, dass die Unterseiten 302 der gebildeten optischen Elemente mit dem Konzentrationsgradienten 330 den von 90° abweichenden Winkel 331 einschließen. Die optischen Elemente 300 werden also schräg aus dem ersten Block 400 herausgelöst, beispielsweise herausgeschnitten.
5 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht einer ersten Teilschicht 510, einer zweiten Teilschicht 520, einer dritten Teilschicht 530 und einer vierten Teilschicht 540. Die Teilschichten 510, 520, 530, 540 sind in Form dünner Folien ausgebildet. Dabei weisen die Teilschichten 510, 520, 530, 540 festgelegte Dicken auf. Die Dicken der einzelnen Teilschichten 510, 520, 530, 540 können einander entsprechen oder voneinander abweichen.
Jede der Teilschichten 510, 520, 530, 540 weist ein Material auf, das dem Material der Matrix 310 des optischen Elements 300 entspricht. In jede der Teilschichten 510, 520, 530, 540 sind lichtstreuende Partikel 320 eingebettet. Die in das Material der ersten Teilschicht 510 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 weisen eine erste Konzentration auf. Die in das Material der zweiten Teilschicht 520 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 weisen eine zweite Konzentration auf. Die in das Material der dritten Teilschicht 530 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 weisen eine dritte Konzentration auf. Die in das Material der vierten Teilschicht 540 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 weisen eine vierte Konzentration auf. Innerhalb der Teilschichten 510, 520, 530, 540 ist die Konzentration der lichtstreuenden Partikel 320 jeweils im Wesentlichen konstant. Die zweite Konzentration der lichtstreuenden Partikel 320 ist allerdings größer als die erste Konzentration der lichtstreuenden Partikel 320. Die dritte Konzentration ist wiederum größer als die zweite Konzentration. Die vierte Konzentration ist größer als die dritte Konzentration.
Die Teilschichten 510, 520, 530, 540 können flächig miteinander verbunden werden, um einen zweiten Block 500 zu formen. Dabei wird die zweite Teilschicht 520 zwischen der ersten Teilschicht 510 und der dritten Teilschicht 530 angeordnet. Die dritte Teilschicht 530 wird zwischen der zweiten Teilschicht 520 und der vierten Teilschicht 540 angeordnet. Eine Oberseite der ersten Teilschicht 510 bildet eine Oberseite 501 des zweiten Blocks 500. Eine Unterseite der vierten Teilschicht 540 bildet eine Unterseite 502 des zweiten Blocks 500.
Selbstverständlich kann der zweite Block 500 auch aus mehr als vier Teilschichten 510, 520, 530, 540 gebildet werden. Dabei weisen die einzelnen Teilschichten bevorzugt in der Reihenfolge, in der sie miteinander verbunden werden, jeweils zunehmende Konzentrationen eingebetteter lichtstreuender Partikel 320 auf. Es ist aber auch möglich, den zweiten Block 500 lediglich aus zwei Teilschichten 510, 520 oder aus drei Teilschichten 510, 520, 530 zu bilden.
Das Verbinden der Teilschichten 510, 520, 530, 540 zu dem zweiten Block 500 kann beispielsweise durch Laminieren der Teilschichten 510, 520, 530, 540 erfolgen. Dabei können die einzelnen Teilschichten 510, 520, 530, 540 beispielsweise mittels eines separaten Klebers flächig miteinander verbunden werden. In diesem Fall kann das die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 aufweisende Material der Teilschichten 510, 520, 530, 540 bereits vor dem Verbinden der Teilschichten 510, 520, 530, 540 vollständig ausgehärtet sein.
Die Teilschichten 510, 520, 530, 540 können aber auch ohne Verwendung eines gesonderten Klebstoffs miteinander zu dem zweiten Block 500 verbunden werden. In diesem Fall ist das die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 aufweisende Material der Teilschichten 510, 520, 530, 540 während des Verbindens der Teilschichten 510, 520, 530, 540 noch nicht vollständig ausgehärtet und ermöglicht dadurch eine dauerhafte Verbindung der Teilschichten 510, 520, 530, 540. Nach dem Verbinden der Teilschichten 510, 520, 530, 540 kann das die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 aufweisende Material der Teilschichten 510, 520, 530, 540 ausgehärtet werden, beispielsweise durch eine thermische Behandlung oder eine Behandlung mit UV-Licht.
6 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des aus den Teilschichten 510, 520, 530, 540 gebildeten zweiten Blocks 500. Das Material der miteinander verbundenen Teilschichten 510, 520, 530, 540 bildet eine Matrix 310 des zweiten Blocks 500, in die die lichtstreuenden Partikel 320 eingebettet sind. Im zweiten Block 500 weisen die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 einen Konzentrationsgradienten 330 auf, der von der Oberseite 501 des zweiten Blocks 500 zur Unterseite 502 des zweiten Blocks 500 weist und im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 501 und zur Unterseite 502 orientiert ist. Entlang des Konzentrationsgradienten 330 nimmt die Konzentration der in die Matrix 310 des zweiten Blocks 500 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 in Stufen zu.
In einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt können aus dem zweiten Block 500 optische Elemente 300 gebildet werden, indem dieser in zur anhand der 4 erläuterten Zerteilung des ersten Blocks 400 analoger Weise zerteilt wird.
7 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht einer ersten Teilschicht 610, einer zweiten Teilschicht 620, einer dritten Teilschicht 630 und einer vierten Teilschicht 640. Die Teilschichten 610, 620, 630, 640 werden in Form dünner Folien durch Coextrusion mittels einer Extrusionsdüse 650 gebildet. Jede der Teilschichten 610, 620, 630, 640 weist eine festgelegte Dicke auf. Die Teilschichten 610, 620, 630, 640 können jeweils die gleiche Dicke oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
Die Teilschichten 610, 620, 630, 640 weisen jeweils ein Material auf, das dem Material der Matrix 310 des optischen Elements 300 entspricht. In das Material der Teilschichten 610, 620, 630, 640 sind jeweils lichtstreuende Partikel 320 eingebettet. Innerhalb jeder Teilschicht 610, 620, 630, 640 ist die Konzentration der eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 im Wesentlichen konstant. In der ersten Teilschicht 610 weisen die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 eine erste Konzentration auf. In der zweiten Teilschicht 620 weisen die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 eine zweite Konzentration auf. In der dritten Teilschicht 630 weisen die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 eine dritte Konzentration auf. In der vierten Teilschicht 640 weisen die eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 eine vierte Konzentration auf. Die zweite Konzentration ist größer als die erste Konzentration. Die dritte Konzentration ist größer als die zweite Konzentration. Die vierte Konzentration ist größer als die dritte Konzentration.
Während der Coextrusion werden die Teilschichten 610, 620, 630, 640 flächig zu einem dritten Block 600 verbunden. Dabei bildet eine Oberseite der ersten Teilschicht 610 eine Oberseite 601 des dritten Blocks 600. Eine Unterseite der vierten Teilschicht 640 bildet eine Unterseite 602 des dritten Blocks 600. Die zweite Teilschicht 620 wird zwischen der ersten Teilschicht 610 und der dritten Teilschicht 630 angeordnet. Die dritte Teilschicht 630 wird zwischen der zweiten Teilschicht 620 und der vierten Teilschicht 640 angeordnet. Selbstverständlich könnte der dritte Block 600 auch aus weniger oder mehr als vier Teilschichten 610, 620, 630, 640 gebildet werden.
8 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des durch Coextrusion der Teilschichten 610, 620, 630, 640 gebildeten dritten Blocks 600. Das Material der Teilschichten 610, 620, 630, 640 bildet eine Matrix 310 des dritten Blocks 600. In die Matrix 310 des dritten Blocks 600 sind die lichtstreuenden Partikel 320 eingebettet. Die Konzentration der in die Matrix 310 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 weist einen Konzentrationsgradienten 330 auf. Der Konzentrationsgradient 330 erstreckt sich von der Oberseite 601 zur Unterseite 602 des dritten Blocks 600 und ist im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 601 und Unterseite 602 des dritten Blocks 600 orientiert. Entlang des Konzentrationsgradienten 330 nimmt die Konzentration der in die Matrix 310 des dritten Blocks 600 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 in Stufen zu.
Aus dem dritten Block 600 können durch Zerteilen des dritten Blocks 600 optische Elemente 300 gebildet werden. Der dritte Block 600 wird dazu auf dieselbe Weise zerteilt, wie dies für den ersten Block 400 anhand der 4 erläutert wurde.
Zum Herstellen des optischen Elements 300 wird somit zunächst ein Block 400, 500, 600 gebildet, in dessen Matrixmaterial 310 lichtstreuende Partikel 320 eingebettet sind, wobei eine Konzentration der eingebetteten lichtstreuenden Partikel 320 einen Konzentrationsgradienten 330 aufweist. Anschließend wird der Block 400, 500, 600 zerteilt, um mindestens ein optisches Element 300 mit einer Unterseite 302 zu erhalten. Der Block 400, 500, 600 wird dabei so geteilt, dass die Unterseite 302 des optischen Elements mit dem Konzentrationsgradienten 330 einen von 90° abweichenden Winkel einschließt.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: optoelektronische Anordnung
110: Lichtleiter
111: Lichtleitrichtung
200: optoelektronisches Bauelement
210: optoelektronischen Halbleiterchip
211: Strahlungsemissionsfläche
300: optisches Element
301: Oberseite
302: Unterseite
303: Dicke
304: erste Seitenfläche
305: zweite Seitenfläche
310: Matrix
320: lichtstreuendes Partikel
321: mittlere Größe
330: Konzentrationsgradient
331: Winkel
400: erster Block
401: Oberseite
402: Unterseite
410: Schicht
500: zweiter Block
501: Oberseite
502: Unterseite
510: erste Teilschicht
520: zweite Teilschicht
530: dritte Teilschicht
540: vierte Teilschicht
600: dritter Block
601: Oberseite
602: Unterseite
610: erste Teilschicht
620: zweite Teilschicht
630: dritte Teilschicht
640: vierte Teilschicht
650: Extrusionsdüse

Claims

Optoelektronisches Bauelement (200) mit einem optoelektronischen Halbleiterchip (210) mit einer Strahlungsemissionsfläche (211), wobei über der Strahlungsemissionsfläche (211) ein optisches Element (300) angeordnet ist, wobei das optische Element (300) ein Material (310) aufweist, in das lichtstreuende Partikel (320) eingebettet sind, wobei eine Konzentration der eingebetteten lichtstreuenden Partikel (320) einen Gradienten (330) aufweist, der mit der Strahlungsemissionsfläche (211) einen von 90° abweichenden Winkel (331) einschließt.
Optoelektronisches Bauelement (200) gemäß Anspruch 1, wobei der Winkel (331) zwischen 35° und 55° beträgt, bevorzugt zwischen 40° und 50°.
Optoelektronisches Bauelement (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material (310) ein Silikon, Polycarbonat oder ein Glas aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtstreuenden Partikel (320) eine mittlere Größe (321) zwischen 200 nm und 50 µm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtstreuenden Partikel (320) TiO₂, Al₂O₃, Hf₂O₅ oder SiO₂ aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (300) über der Strahlungsemissionsfläche (211) in Richtung senkrecht zur Strahlungsemissionsfläche (211) eine Dicke (303) zwischen 0,1 mm und 1 mm aufweist, bevorzugt eine Dicke (303) von weniger als 0,3 mm.
Optoelektronisches Bauelement (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wellenlängenkonvertierende Partikel in das Material (310) eingebettet sind.
Optoelektronische Anordnung (100) mit einem optoelektronischen Bauelement (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Lichtleiter (110), wobei der Lichtleiter (110) seitlich neben dem optischen Element (300) angeordnet ist.
Optoelektronische Anordnung (100) gemäß Anspruch 8, wobei der Lichtleiter (110) parallel zur Strahlungsemissionsfläche (211) orientiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements (300) mit den folgenden Schritten: – Ausbilden eines Blocks (400, 500, 600) eines Materials (310) mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln (320), wobei eine Konzentration der eingebetteten lichtstreuenden Partikel (320) einen Gradienten (330) aufweist; – Zerteilen des Blocks (400, 500, 600), um ein optisches Element (300) mit einer Unterseite (302) zu erhalten, wobei der Gradient (330) mit der Unterseite (302) einen von 90° abweichenden Winkel (331) einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei zum Ausbilden des Blocks (400) die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Bereitstellen einer Schicht (410) des Materials (310) mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln (320); – Absinkenlassen der lichtstreuenden Partikel (320) in dem Material (310) derart, dass sich der Konzentrationsgradient (330) ausbildet; – Aushärten des Materials (310) der Schicht (410), um den Block (400) zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei zum Ausbilden des Blocks (500) die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Bereitstellen einer ersten Schicht (510) des Materials (310) und einer zweiten Schicht (520) des Materials (310), wobei die erste Schicht (510) eine erste Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel (320) aufweist und die zweite Schicht (520) eine zweite Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel (320) aufweist; – Flächiges Verbinden der ersten Schicht (510) und der zweiten Schicht (520), um den Block (500) zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei zum Ausbilden des Blocks (600) der folgende Schritt durchgeführt wird: – Coextrudieren einer ersten Schicht (610) des Materials (310) und einer zweiten Schicht (620) des Materials (310), wobei die erste Schicht (610) eine erste Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel (320) aufweist und die zweite Schicht (620) eine zweite Konzentration eingebetteter lichtstreuender Partikel (320) aufweist, wobei die erste Schicht (610) und die zweite Schicht (620) aufeinanderliegend coextrudiert werden, um den Block (600) zu bilden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 und 13, wobei der Block (500, 600) aus mehr als zwei Schichten (510, 520, 530, 540, 610, 620, 630, 640) gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements (200) mit den folgenden Schritten: – Herstellen eines optischen Elements (300) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14; – Bereitstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips (210) mit einer Strahlungsemissionsfläche (211); – Anordnen des optischen Elements (300) über der Strahlungsemissionsfläche (211).