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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere ein im infraroten Spektralbereich emittierendes optoelektronisches Bauelement.
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Ein zu lösende Aufgabe besteht darin, ein im infraroten Spektralbereich emittierendes optoelektronisches Bauelement anzugeben, das eine gute Wärmeabfuhr, verbesserte optische Eigenschaften und eine hohe Langzeitstabilität auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip und ein Konversionselement, das dazu geeignet ist, zumindest einen Teil der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung in eine konvertierte Strahlung umzuwandeln, wobei die konvertierte Strahlung eine größere Wellenlänge als die emittierte Strahlung aufweist. Insbesondere kann das Konversionselement dazu geeignet sein, zumindest einen Teil der emittierten Strahlung zu absorbieren und Strahlung mit einer größeren Wellenlänge zu reemittieren.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine zumindest für die konvertierte Strahlung durchlässige Abdeckung, welche dem Konversionselement in einer Hauptstrahlrichtung der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung nachfolgt. Die Abdeckung kann inbesondere auf ein Gehäuse des optoelektronischen Bauelements aufgebracht sein.
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Das Konversionselement umfasst bei dem optoelektronischen Bauelement vorteilhaft ein Quantenpunkt-Konvertermaterial. Ein Quantenpunkt-Konvertermaterial enthält Quantenpunkte (Quantum Dots), die insbesondere in Form von Nanokristallen vorliegen können, die typischerweise einen Partikeldurchmesser zwischen 1 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 1 nm und 20 nm, aufweisen. Das Quantenpunkt-Konvertermaterial kann inssbesondere Quantenpunkte enthalten, die auf Verbindungen von Cd oder Pb basieren. Beispielsweise enthalten die Quantenpunkte Verbindungen mit zumindest einem der Elemente Cd, Pb, Se, Te oder Sb.
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Das Konversionselement ist bei dem optoelektronischen Bauelement vorteilhaft an einer dem Halbleiterchip zugewandten Innenseite der Abdeckung angeordnet. Das Konversionselement grenzt vorzugsweise nicht unmittelbar an den Halbleiterchip an.
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Das Konversionselement kann insbesondere durch eine Schicht aus einem Matrixmaterial gebildet sein, in das das Quantenpunkt-Konvertermaterial eingebettet ist. Das Matrixmaterial ist bevorzugt sowohl für die von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittierte Strahlung als auch für die in dem Konversionselement erzeugte konvertierte Strahlung transparent. Das Matrixmaterial kann insbesondere ein Polymer sein.
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Das Matrimaterial kann beispielsweise ein Silikon, ein Epoxid, ein Acrylat oder Polystyrol aufweisen.
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Die Schicht aus dem Matrixmaterial mit dem darin eingebetteten Quantenpunkt-Konvertermaterial kann insbesondere auf die Innenseite der Abdeckung aufgebracht sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Abdeckung des optoelektronischen Bauelements Silizium auf oder besteht aus Silizium. Die Abdeckung ist vorugsweise eine Silziumscheibe, die insbesondere aus einem Halbleiterwafer aus Silzium hergestellt sein kann. Die Abdeckung ist bevorzugt etwa 100 µm bis 500 µm dick.
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Dadurch, dass das Konversionselement mit dem Quantenpunkt-Konvertermaterial auf die dem Halbleiterchip zugewandte Innenseite der Abdeckung aufgebracht ist, wird das Konversionselement vorteilhaft durch die Abdeckung vor Umgebungseinflüssen wie beispielsweise mechanischer Beschädigung, Eindringen von Feuchtigkeit oder Reaktion mit Sauerstoff geschützt. Weiterhin kann im Betrieb des optoelektronischen Bauelements entstehende Wärme in dem Konversionselement über die Abdeckung, die Silizium aufweist oder daraus besteht, effizient abgeführt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements emittiert der strahlungsemittierende Halbleiterchip infrarote Strahlung. Insbesondere kann der strahlungsemittierende Halbleiterchip zur Emission von Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 1100 nm vorgesehen sein. Bei dieser Ausgestaltung emittiert der strahlungsemittierende Halbleiterchip im Nahinfrarot-Spektralbereich (NIR).
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die von dem Konversionselement erzeugte konvertierte Strahlung infrarote Strahlung. Insbesondere kann das Konversionselement dazu geeignet sein, von dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip emittierte infrarote Strahlung in infrarote Strahlung mit einer größeren Wellenlänge zu konvertieren.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abdeckung für die emittierte Strahlung absorbierend. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Abdeckung mindestens 90 Prozent, mindestens 95 Prozent oder sogar mindestens 99 Prozent der emittierten Strahlung des Halbleiterchips absorbiert. Bei dieser Ausgestaltung wird von der Abdeckung im Wesentlichen nur die konvertierte Strahlung durchgelassen. Dadurch, dass die Abdeckung Silizium aufweist oder daraus besteht, wird insbesondere die Absorption von Silizium zur Absorption der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung ausgenutzt. Silizium weist bekanntlich für Wellenlängen von weniger als etwa 1100 nm eine hohe Absorption auf und ist für Wellenlängen oberhalb von etwa 1100 nm im Wesentlichen transparent.
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Bevorzugt weist die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung eine Wellenlänge λe < 1100 nm auf, wobei die konvertierte Strahlung vorzugsweise eine Wellenlänge λc > 1200 nm aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Wellenlänge der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung eine Wellenlänge unterhalb der Absorptionskante von Silizium und die konvertierte Strahlung eine Wellenlänge oberhalb der Absorptionskante von Silizium aufweist, die bei etwa 1100 nm liegt. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass das optoelektronische Bauelement im Wesentlichen nur die konvertierte Strahlung emittiert, während die von dem Halbleiterchip emittierte Primärstrahlung effektiv durch die Abdeckung unterdrückt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist eine von dem Halbleiterchip abgewandte Außenseite der Abdeckung eine Struktur zur Strahlformung der von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Strahlung, insbesondere der im Konversionselement erzw auf. Bei dieser Ausgestaltung weist die Abdeckung zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Funktionen die Funktion eines Strahlformungselements auf. Die an der Außenseite der Abdeckung zur Strahlformung ausgebildete Struktur kann insbesondere eine Mikrolinsenstruktur oder eine Mikroprismenstruktur sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des optoelektronischen Bauelements weist eine von dem Halbleiterchip abgewandte Außenseite der Abdeckung eine Aufrauung auf. Auf diese Weise werden insbesondere Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der Abdeckung und dem Umgebungsmedium, insbesondere Luft, vermindert und auf diese Weise die Strahlungsauskopplung aus dem optoelektronischen Bauelement verbessert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des optoelektronischen Bauelements weist eine von dem Halbleiterchip abgewandte Außenseite der Abdeckung eine Antireflexionsbeschichtung auf. Die Antireflexionsbeschichtung vermindert vorteilhaft die Reflexion an der Grenzfläche zwischen der Abdeckung und dem Umgebungsmedium und verbessert so die Strahlungsauskoppelung aus dem optoelektronischen Bauelement. Die Antireflexionsbeschichtung kann eine Einzelschicht oder ein Schichtsystem aus mehreren Einzelschichten, insbesondere dielektrischen Schichten, sein. Vorzugsweise weist die Antireflexionsbeschichtung eine Reflexionsminimum bei der Wellenlänge der konvertierten Strahlung auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Abdeckung mit einem Gehäuse des optoelektronischen Bauelements thermisch leitend verbunden. Das Gehäuse kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem thermisch leitenden Material gebildet sei. Insbesondere ist es möglich, dass zumindest Seitenwände des Gehäuses ein Metall aufweisen oder mit einem Metall beschichtet sind. Auf diese Weise kann vorteilhaft die von dem Konversionselement an die Abdeckung abgegebene Wärme an das Gehäuse des optoelektronischen Bauelements abgeleitet werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der strahlungsemittierende Halbleiterchip eine aktive Schicht auf, die AlnGamIn1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ein auf einem Arsenidverbindungshalbleiter basierender optoelektronischer Halbleiterchip ist insbesondere zur Emission von Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich geeignet. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip kann insbesondere ein IR-Lumineszenzdiodenchip oder ein IR-Halbleiterlaserchip sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
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4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Das in 1 dargestellte optoelektronische Bauelement 10 weist einen Halbleiterchip 2 auf, der vorzugsweise ein im infraroten Spektralbereich emittierender IR-Lumineszenzdiodenchip ist. Der Halbleiterchip 2 weist eine aktive Schicht 4 auf. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Die aktive Schicht 4 ist beispielsweise zwischen einem n-Typ Halbleiterbereich 3 und einem p-Typ Halbleiterbereich 5 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der n-Typ Halbleiterbereich einem Träger 1 des Halbleiterchips zugewandt. Alternativ kann der Halbleiterchip 2 auch in umgekehrter Polarität auf dem Träger 1 angeordnet sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Halbleiterchip als sogenannter Dünnfilmchip ausgeführt ist, bei dem ein zum Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge verwendetes Aufwachssubstrat von dem Halbleiterchip abgelöst wird.
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Der Halbleiterchip 2 kann insbesondere auf einem Arsenidverbindungshalbleiter basieren. „Auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht, insbesondere die aktive Schicht, ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIn1-n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
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Die von dem Halbleiterchip 2 emittierte Strahlung 12 ist vorzugsweise Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich, die insbesondere eine Wellenlänge von mehr als 780 nm und weniger als 1100 nm aufweisen kann.
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Der Halbleiterchip 2 ist in einem Gehäuse 11 angeordnet. In dem Gehäuse 11 kann der Halbleiterchip 2 auf einem Träger 1 angeordnet sein, der vorzugsweise thermisch und/oder elektrisch leitend ist und vorzugsweise zur Wärmeabfuhr und/oder zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips 2 dient. Der Träger 1 des Halbleiterchips 2 kann beispielsweise bündig mit einer Unterseite des Gehäuses 11 abschließen, so dass der Träger 1 bei der Oberflächenmontage des optoelektronischen Bauelements 10 vorteilhaft elektrisch und/oder thermisch leitend mit einer Leiterplatte oder einer Wärmesenke verbunden werden kann. Das optoelektronische Baulement 10 kann insbesondere ein SMD-Bauelement (Surface Mountable Device) sein.
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In das Gehäuse 11 des optoelektronischen Bauelements 10 kann ein Reflektor 6 integriert sein, durch den in seitliche Richtung emittierte Strahlung des optoelektronischen Halbleiterchips 2 vorteilhaft in eine Hauptabstrahlrichtung umgelenkt wird.
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Bei dem optoelektronischen Bauelement 10 ist ein Konversionselement 8 dazu vorgesehen, zumindest einen Teil der emittierten Strahlung 12 in eine konvertierte Strahlung 13 umzuwandeln, die eine größere Wellenlänge als die emittierte Strahlung 12 aufweist. Zu diesem Zweck enthält das Konversionselement 8 vorteilhaft ein Quantenpunkt-Konvertermaterial 7. Das Quantenpunkt-Konvertermatertial kann insbesondere Verbindungen von Cd oder Pb aufweisen. Beispielsweise enthalten die Quantenpunkte Verbindungen mit zumindest einem der Elemente Cd, Pb, Se, Te oder Sb. Das Quantenpunkt-Konvertermaterial 7 kann insbesondere Nanokristalle aufweisen, die in ein Matrixmaterial eingebettet sind. Das Matrimaterial kann beispielsweise Silikon, Epoxid, Acrylat oder Polystyrol aufweisen.
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Die Nanokristalle können beispielsweise Größen zwischen etwa 1 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 1 nm und 20 nm, aufweisen. Das Quantenpunkt-Konvertermaterial zeichnet sich vorteilhaft durch eine hohe Quanteneffizienz aus.
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Das Konversionselement 8 ist insbesondere dazu geeignet, die emittierte Strahlung 12 in infrarote Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1200 nm zu konvertieren.
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Das Konversionselement 8 ist bei dem optoelektronischen Bauelement 10 vorteilhaft an einer dem Halbleiterchip 2 zugewandten Innenseite 15 einer Abdeckung 9 aufgebracht. Die Abdeckung 9 ist zum Beispiel auf das Gehäuse 11 aufgebracht und schließt auf diese Weise das Gehäuse 11 an dessen Oberseite ab. Die Abdeckung 9 weist vorzugsweise Silizium auf und kann insbesondere aus Silizium bestehen. Die Abdeckung 9 ist beispielsweise eine Scheibe aus Silizium, die bevorzugt etwa 100 µm bis 500 µm dick ist. Die Verwendung von Silizium als Material für die Abdeckung 9, welche gleichzeitig als Träger für das Konversionselement 8 fungiert, hat insbesondere den Vorteil, dass in dem Konversionselement 8 entstehende Wärme von der Abdeckung 9 gut aufgenommen und an das Gehäuse 11 abgeführt werden kann. Mit anderen Worten fungiert die Abdeckung 9 als Wärmesenke für das Konversionselement 8.
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Weiterhin hat die Abdeckung 9, die mit oder aus Silizium gebildet ist, den Vorteil, dass sie als Absorber für die von dem Halbleiterchip 2 emittierte Strahlung 12 fungieren kann. Hierbei wird insbesondere ausgenutzt, dass Silizium bei Wellenlängen unterhalb von etwa 1100 nm absorbierend wirkt. Durch die Abdeckung 9 kann daher die nicht konvertierte Strahlung 12 unterdrückt werden und somit ein Emissionsspektrum des optoelektronischen Bauelements 10 erzielt werden, das im Wesentlichen nur die in dem Konversionselement 8 erzeugte konvertierte Strahlung 13 enthält. Da Silizium oberhalb seiner Absorptionskante bei etwa 1100 nm eine hohe Transparenz aufweist, wird die konvertierte Strahlung 13 in der Abdeckung 9 vorteilhaft nicht oder nur unwesentlich geschwächt.
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Die Abdeckung 9 schließt das Gehäuse 11 an dessen Oberseite vorzugsweise hermetisch ab, wodurch der Halbleiterchip 2 vor Umgebungseinflüssen, insbesondere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit oder die Oxydation unter Einfluss von Sauerstoff geschützt wird. Das optoelektronische Bauelement 10 zeichnet sich daher durch eine hohe Langzeitstabilität aus.
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Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelements 10 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in der Ausgestaltung der Außenseite 16 der Abdeckung 9. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Außenseite 16 der Abdeckung mit einer Mikrolinsenstruktur 14 versehen. Die Abdeckung 9 hat daher vorteilhaft zusätzlich zu ihrem Funktionen als Träger für das Konversionselement 8, als Absorber für die emittierte Strahlung 12, als Kapselung des Gehäuses 11 und als Wärmesenke für das Konversionselement 9 noch eine weitere Zusatzfunktion, nämlich die optische Funktion der Strahlformung der von dem optoelektronischen Bauelement emittierten konvertierten Strahlung 13. Für die Herstellung der Mikrolinsenstruktur 14 ist es vorteilhaft, dass Silizium als Material für die Abdeckung 9 verwendet wird, da dies die Herstellung mit in der Silizium-Halbleitertechnologie an sich bekannten Prozessen ermöglicht. Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen und vorteilhaften Eigenschaften entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel und wird daher nicht näher erläutert.
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Das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelements 10 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Außenseite 16 der Abdeckung 9 mit einer Aufrauhung 17 versehen ist. Die Aufrauhung 17 kann beispielsweise mittels eines Ätzprozesses an der Außenseite 16 der Abdeckung 9 erzeugt werden.
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Die Aufrauhung 17 hat den Vorteil, dass Reflexionsverluste an der Grenzfläche zwischen der Abdeckung 9 und dem Umgebungsmedium vermindert werden und somit die Strahlungsausbeute des optoelektronischen Bauelements 10 verbessert wird. Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen und vorteilhaften Eigenschaften entspricht das dritte Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel und wird daher nicht näher erläutert.
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Eine alterative Möglicheit zur Verbesserung der Auskopplung der konvertierten Strahlung 13 aus der Abdeckung 8 ist im Ausführungsbeispiel der 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Antireflexionsbeschichtung 18 auf eine von dem Halbleiterchip 2 abgewandte Außenseite der
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Abdeckung 9 aufgebracht. Die Antireflexionsbeschichtung 18 kann als Einzelschicht oder als Mehrfachschichtsystem ausgebildet sein. Insbesondere kann die Antireflexionsbeschichtung 18 eine oder mehrere dielektrische Schichten aufweisen. Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen und vorteilhaften Eigenschaften entspricht das vierte Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel und wird daher nicht näher erläutert.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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.
