DE102016106951A1

DE102016106951A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102016106951A1
Application number: DE102016106951.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Marfeld; Markus Hofmann; Werner Plass
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-10-19

Abstract

In einer Ausführungsform beinhaltet der optoelektronische Halbleiterchip (1) ein mechanisch selbsttragendes, lichtdurchlässiges Aufwachssubstrat (2) mit einer Aufwachsoberfläche (20) sowie eine Halbleiterschichtenfolge (3) und mehrere elektrische Kontaktstege (4). Die Halbleiterschichtenfolge (3) befindet sich direkt an der Aufwachsoberfläche (20) und umfasst eine n-leitende n-Seite (31), eine p-leitende p-Seite (33) und eine dazwischenliegende aktive Zone (32) zur Lichterzeugung. Die Halbleiterschichtenfolge (3) ist in eine Vielzahl von Leuchteinheiten (5) strukturiert, die über die Kontaktstege (4) elektrisch in Serie geschaltet sind. Ein Verhältnis aus einer Länge entlang einer Längsachse (A) zu einer Breite des Aufwachssubstrats (2) beträgt mindestens 15, in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche (20) gesehen.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der in einem Leuchtmittel effizient als Ersatz für einen Glühfaden verwendbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip ein Aufwachssubstrat. Das Aufwachssubstrat verfügt über eine Aufwachsoberfläche. Bei dem Aufwachssubstrat handelt es sich bevorzugt um einen mechanisch selbsttragenden Träger, der die mechanisch stabilisierende und tragende Komponente des optoelektronischen Halbleiterchips bilden kann. Mit anderen Worten kann der Halbleiterchip aufgrund des Aufwachssubstrats mechanisch stabil sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Aufwachssubstrat lichtdurchlässig. Bevorzugt ist das Aufwachssubstrat im gesamten sichtbaren Spektralbereich durchlässig und transparent für Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der optoelektronische Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge befindet sich direkt an der Aufwachsoberfläche. Das heißt, die Halbleiterschichtenfolge ist etwa epitaktisch auf die Aufwachsoberfläche gewachsen. Dass es sich bei dem Aufwachssubstrat tatsächlich um eine Wachstumsgrundlage für die Halbleiterschichtenfolge handelt, ist beispielsweise durch Elektronenmikroskopie anhand von Kristalldefekten, die ähnlich wie ein Fingerabdruck wirken, nachweisbar.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder wie Al_nGa_mIn_1-n-mAs_kP_1-k, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 sowie 0 ≤ k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 0 < n ≤ 0,8, 0,4 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 sowie 0 < k ≤ 0,5. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine n-leitende n-Seite, eine p-leitende p-Seite und eine dazwischenliegende aktive Zone zur Lichterzeugung. Die aktive Zone umfasst zumindest einen pn-Übergang, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur. Die n-Seite und die p-Seite sind je aus einer oder, bevorzugt, mehreren einzelnen Halbleiterschichten zusammengesetzt. Die n-Seite weist bevorzugt eine größere Dicke und eine größere elektrische Querleitfähigkeit auf als die p-Seite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip mehrere elektrische Kontaktstege. Die Kontaktstege sind bevorzugt ohmsch-leitend. Über die elektrischen Kontaktstege wird die Halbleiterschichtenfolge mit elektrischem Strom versorgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge in eine Vielzahl von Leuchteinheiten strukturiert. Jede der Leuchteinheiten verfügt bevorzugt über einen separierten, von den anderen Leuchteinheiten getrennten Teil der aktiven Zone, so dass sich die aktive Zone nicht durchgehend über verschiedene Leuchteinheiten hinweg erstreckt. Jede der Leuchteinheiten ist zur Erzeugung von Licht vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Leuchteinheiten über die Kontaktstege elektrisch in Serie geschaltet. Insbesondere ist jede der Leuchteinheiten über genau zwei verschiedene Kontaktstege elektrisch kontaktiert. Einer der Kontaktstege ist dabei mit der n-Seite elektrisch verbunden und ein weiterer der Kontaktstege mit der p-Seite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Verhältnis aus einer Länge entlang einer Längsachse zu einer Breite des Aufwachssubstrats bei mindestens 8 oder 12 oder 15 oder 25. Alternativ oder zusätzlich liegt dieses Verhältnis bei höchstens 200 oder 120 oder 80 oder 50. Dies gilt insbesondere in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche gesehen. Mit anderen Worten sind das Aufwachssubstrat sowie die Halbleiterschichtenfolge und damit der Halbleiterchip insgesamt in Draufsicht gesehen schmal und langgestreckt. Bei der Längsachse handelt es sich bevorzugt um eine gerade, durchgehende Linie.
In mindestens einer Ausführungsform beinhaltet der optoelektronische Halbleiterchip ein mechanisch selbsttragendes, lichtdurchlässiges Aufwachssubstrat mit einer Aufwachsoberfläche sowie eine Halbleiterschichtenfolge und mehrere elektrische Kontaktstege. Die Halbleiterschichtenfolge befindet sich direkt an der Aufwachsoberfläche und umfasst eine n-leitende n-Seite, eine p-leitende p-Seite und eine dazwischenliegende aktive Zone zur Lichterzeugung. Die Halbleiterschichtenfolge ist in eine Vielzahl von Leuchteinheiten strukturiert, wobei die Leuchteinheiten über die Kontaktstege elektrisch in Serie geschaltet sind. Ein Verhältnis aus einer Länge entlang einer Längsachse zu einer Breite des Aufwachssubstrats beträgt mindestens 15, in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche gesehen.
Um effiziente Leuchtmittel insbesondere im Bereich der Allgemeinbeleuchtung zu erhalten, finden immer mehr Leuchtdioden, kurz LEDs, Einsatz in Nachbauten, die hinsichtlich ihrer äußeren Form Halogenlampen oder Glühlampen ähneln. Dabei ist es oft wünschenswert, durch die Leuchtdioden das Aussehen von traditionellen Glühfäden zu imitieren. Solche Lampen werden auch als Filamentlampen bezeichnet. Herkömmlich werden solche Elemente durch Leuchtdioden gebildet, bei denen einzelne Leuchtdiodenchips auf einem transparenten, länglichen Substrat aufgebracht werden, beispielsweise aufgeklebt. Diese einzelnen Leuchtdiodenchips werden nachträglich elektrisch miteinander verbunden, insbesondere durch Bonddrähte aus Gold.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterchip dient das Aufwachssubstrat selbst als Träger für das Filament. Mit anderen Worten bildet der hier beschriebene langgestreckte Halbleiterchip selbst das Filament, das einen Glühfaden imitiert. Durch einen solchen Halbleiterchip entfallen die bei zuvor üblichen Filamenten notwendigen Verfahrensschritte wie das Aufbringen einzelner Halbleiterchips auf einem Träger. Auch ist eine elektrische Verschaltung ohne Bonddrähte möglich. Da weniger Komponenten erforderlich sind, um das Filament aufzubauen, kann auch eine Effizienz steigen, da weniger lichtabsorbierende oder lichtzurückhaltende Komponenten vorhanden sind. Außerdem ist eine geringere Bauteilhöhe erzielbar und bei nachträglichen Schritten wie einem Aufbringen von Leuchtstoffen ist ein Beschädigungsrisiko vermindert.
Weiterhin ist durch die Kontaktstege eine direkte elektrische Kontaktierung der einzelnen lichtemittierenden Leuchteinheiten möglich, wodurch eine verbesserte Stromverteilung und kleinere Kontaktwiderstände realisiert werden können. Innerhalb einer Charge sind zudem die als Filamente genutzten Halbleiterchips vergleichbarer, da die Halbleiterchips benachbart aus einem gemeinsamen Wafer gefertigt werden können.
Insgesamt kann somit ein Filament in Form des hier beschriebenen Halbleiterchips bei gleicher Helligkeit und Effizienz kompakter gestaltet werden. Über eine geometrische Gestaltung des Aufwachssubstrats ist zudem ein Abstrahlverhalten gezielt anpassbar. Durch den fehlenden Montageschritt zwischen dem Träger und den ansonsten üblichen Leuchtdiodenchips ist auch eine Alterung einer solchen Montageschicht vermieden. Weiterhin können durch die Nutzung des Aufwachssubstrats als Träger für das Filament Fertigungsschritte wie das Dünnschleifen von Leuchtdiodenchips entfallen. Zudem werden Optimierungen hinsichtlich der Substratgeometrie einfacher ermöglicht, beispielsweise können einzelne elektrische, funktional verbundene Zellen gedreht zueinander angeordnet werden, das Aufwachssubstrat kann breiter gestaltet und dadurch stabiler gemacht werden oder es können auch mehrere Zellenreihen aus den Leuchteinheiten parallel nebeneinander auf das Aufwachssubstrat aufgebracht werden.
Durch die Vermeidung von Bonddrähten kann eine Vielzahl von verschiedenen Technologien zur Aufbringung von Leuchtstoffen verwendet werden, etwa um weißes Licht zu erzeugen. Zum Beispiel sind Leuchtstoffe durch ein Dispensen aufbringbar oder auch durch Verfahren wie Folientiefziehen oder Folienschrumpfen, die bei dem Vorhandensein von Bonddrähten nicht möglich wären. Weiterhin müssen bei einem zuvor üblichen Filament, das aus einzelnen Leuchtdiodenchips zusammengesetzt ist, in einem zusätzlichen Prozessschritt elektrische Kontaktflächen angebracht werden. Bei dem hier beschriebenen Halbleiterchip hingegen können durch entsprechende Metallisierungen noch während des Herstellungsprozesses die elektrischen Kontaktflächen erzeugt werden, wodurch eine weitere Einsparung von Prozessschritten und Materialkosten möglich ist sowie eine kompaktere Bauform.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Halbleiterschichtenfolge durchgehend und zusammenhängend über alle Leuchteinheiten hinweg. Insbesondere ist die n-Seite zwischen benachbarten Leuchteinheiten nicht unterbrochen, anders als dies bevorzugt für die aktive Zone und die p-Seite gilt. Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge zwischen benachbarten Leuchteinheiten vollständig entfernt sein, so dass beispielsweise die Aufwachsoberfläche dann stellenweise freigelegt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen benachbarten Leuchteinheiten die n-Seite freigelegt. Dies bedeutet, dass die aktive Zone und die p-Seite vollständig entfernt sind. Somit kann ein Kontaktsteg stellenweise direkt auf der n-Seite angebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Betrieb des Halbleiterchips in Richtung senkrecht zur Längsachse nach allen Seiten hin Licht emittiert. Das heißt, in radialer Richtung, bezogen auf die Längsachse, strahlt der Halbleiterchip dann allseitig ab. Der Halbleiterchip kann eine zylindersymmetrische oder näherungsweise zylindersymmetrische Abstrahlcharakteristik aufweisen. Dies kann unterstützt sein durch eine spezielle Formgebung des Aufwachssubstrats und/oder durch einen Vergusskörper, innerhalb dem sich das Aufwachssubstrat, die Halbleiterschichtenfolge und/oder die Kontaktstege befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip ferner zwei oder mehr als zwei elektrische Kontaktflächen. Die Kontaktflächen sind zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips eingerichtet. Beispielsweise wird über die Kontaktflächen der Halbleiterchip extern angelötet oder elektrisch angeklemmt. Außerdem ist über die elektrischen Kontaktflächen gleichzeitig eine mechanische Halterung des Halbleiterchips an einem externen Träger ermöglichbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Kontaktflächen, entlang der Längsachse gesehen, an einem einzigen Ende oder an beiden Enden des Aufwachssubstrats. Am Ende befinden kann bedeuten, dass ein Abstand der entsprechenden Kontaktfläche zu dem zugehörigen Ende höchstens 10 % oder 5 % oder 2 % der Länge des Aufwachssubstrats entlang der Längsachse beträgt. Entlang der Längsachse machen die Kontaktflächen bevorzugt höchstens 10 % oder 5 % oder 2 % des Halbleiterchips auf, in Draufsicht gesehen. Bevorzugt sind die Kontaktflächen parallel zur Aufwachsoberfläche orientiert und/oder flächig gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragen die elektrischen Kontaktflächen und/oder die elektrischen Kontaktstege die Halbleiterschichtenfolge um höchstens 2 µm oder 5 µm oder 8 µm, in Richtung weg von der Aufwachsoberfläche. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Überstand der Kontaktflächen und/oder der Kontaktstege über die Halbleiterschichtenfolge bei mindestens 0,1 µm oder 0,3 µm. Mit anderen Worten sind die Kontaktflächen und die Kontaktstege relativ dünn und tragen zu einer Gesamtdicke des Halbleiterchips nicht signifikant bei. Dabei liegt eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge bevorzugt bei mindestens 2 µm oder 4 µm und/oder bei höchstens 12 µm oder 8 µm. Eine Dicke des Aufwachssubstrats liegt beispielsweise bei mindestens 50 µm oder 100 µm oder 200 µm und/oder bei höchstens 1,5 mm oder 1 mm oder 0,6 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform laufen die Kontaktstege zu mindestens 70 % oder 80 % oder 90 % oder 95 % ihrer Längsausdehnung parallel zur Aufwachsoberfläche. Dies bedeutet, dass die Kontaktstege, bezogen auf ihre Länge, nur zu einem kleinen Teil quer zur Aufwachsoberfläche verlaufen. Bei den Kontaktstegen kann es sich um im Wesentlichen parallel zur Aufwachsoberfläche verlaufende elektrische Strukturen handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterschichtenfolge, das Aufwachssubstrat und/oder die elektrischen Kontaktstege in radialer Richtung, also senkrecht zur Längsachse, teilweise oder vollständig ringsum von einer Leuchtstoffhülle umgeben. Die Leuchtstoffhülle beinhaltet einen oder mehrere Leuchtstoffe zur Umwandlung einer Primärstrahlung, erzeugt von den Leuchteinheiten, in eine langerwelligere Sekundärstrahlung. Bei der Primärstrahlung handelt es sich etwa um blaues Licht. Wird eine Mischstrahlung emittiert, zusammengesetzt aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung, so handelt es sich bevorzugt um weißes Licht, insbesondere um warmweißes Licht etwa mit einer korrelierten Farbtemperatur von mindestens 2100 K und/oder höchstens 3000 K.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht die Leuchtstoffhülle stellenweise in direktem Kontakt zu dem Aufwachssubstrat. Das heißt, die Leuchtstoffhülle kann das Aufwachssubstrat stellenweise direkt bedecken. Es ist möglich, dass um die Leuchtstoffhülle herum ein weiterer Vergusskörper vorhanden ist, etwa als Schutz vor äußeren Einflüssen. Alternativ kann sich ein weiterer, transparenter Vergusskörper zwischen dem Aufwachssubstrat und der Leuchtstoffhülle befinden. Weiterhin ist es möglich, dass dem Aufwachssubstrat zumindest ein Leuchtstoff beigegeben ist, der die Leuchtstoffhülle zumindest im Bereich des Aufwachssubstrats ersetzen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Leuchteinheiten, entlang der Längsachse des Aufwachssubstrats, in der Halbleiterschichtenfolge ein Graben. Der Graben durchdringt die aktive Zone bevorzugt vollständig und zerteilt die aktive Zone zwischen den betreffenden Leuchteinheiten. Das Aufwachssubstrat ist bevorzugt frei von dem Graben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist durch den Graben die n-Seite der Halbleiterschichtenfolge freigelegt. In diesem Fall ist die n-Seite bevorzugt unmittelbar an dem Aufwachssubstrat, gefolgt von der aktiven Zone und der p-Seite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Graben in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche gesehen T-förmig oder Y-förmig. Dabei verläuft bevorzugt jeweils ein Teil des Grabens parallel zur Längsachse des Aufwachssubstrats.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in Seitenansicht gesehen, also insbesondere in Richtung senkrecht zur Längsachse und in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, die Halbleiterschichtenfolge zwischen benachbarten Leuchteinheiten niedriger. In den Bereichen zwischen den Leuchteinheiten befindet sich dann eine dem Aufwachssubstrat abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge näher an dem Aufwachssubstrat als dies in den Leuchteinheiten selbst der Fall ist. In diesem Fall sind die Gräben zwischen den Leuchteinheiten insbesondere T-förmig gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Halbleiterschichtenfolge in Seitenansicht gesehen in gleichbleibender Höhe über alle Leuchteinheiten hinweg. Dies ist beispielsweise dadurch erreicht, dass die Gräben zwischen den aufeinanderfolgenden Leuchteinheiten teilweise schräg zu der Längsachse des Aufwachssubstrats verlaufen, in Draufsicht gesehen, und somit Y-förmig sind. In Seitenansicht gesehen besteht somit im Bereich der Gräben keine direkte Sichtlinie durch die Halbleiterschichtenfolge. Durch eine solche Gestaltung der Gräben ist eine gleichmäßigere Lichtabstrahlung nach allen Seiten hin realisierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen benachbarten Leuchteinheiten je genau eine Stufe, über die hinweg sich der zugehörige Kontaktsteg erstreckt. Insbesondere besteht eine eineindeutige Zuordnung zwischen den Stufen und den Kontaktstegen. Die Stufe kann senkrecht oder schräg zur Aufwachsoberfläche verlaufen. Eine Höhe, die die Stufe überwindet, liegt bevorzugt bei mindestens 0,5 µm oder 1 µm und/oder bei höchstens 5 µm oder 3 µm. Die Stufe ist, im Vergleich zu einer Gesamtdicke des Halbleiterchips, bevorzugt klein. Im Bereich der Stufe ist die Halbleiterschichtenfolge bevorzugt mit einer Passivierung versehen, beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Nitrid oder Oxid wie Siliziumdioxid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen zumindest die die Leuchteinheiten elektrisch verbindenden Kontaktstege je zumindest eine Bifurkation auf, etwa in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche gesehen. Bifurkation bedeutet insbesondere, dass sich der zugehörige Kontaktsteg aufgabelt oder verzweigt, speziell in genau zwei Äste. Zu einer besseren Stromverteilung können die Kontaktstege auch mehrere Verzweigungen und/oder Bifurkationen aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens 10 oder 15 oder 20 oder 24 oder 28 der Leuchteinheiten elektrisch in Serie verschaltet. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Leuchteinheiten in der Serienschaltung bei höchstens 60 oder 45 oder 36 oder 32.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Vorwärtsspannung des Halbleiterchips im bestimmungsgemäßen Gebrauch bei mindestens 70 V oder 80 V und/oder bei höchstens 115 V oder 100 V. Insbesondere liegt die Vorwärtsspannung, bei der es sich um eine Gleichspannung handelt, bei ungefähr 90 V. Hierdurch lässt sich der Halbleiterchip über eine relativ einfache Gleichrichterschaltung an eine Wechselspannung mit 120 V oder 230 V anschließen. Dann liegt eine Vorwärtsspannung pro Leuchteinheit bei ungefähr 3 Volt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Leuchteinheiten, insbesondere die zu einer Serienschaltung verschalteten Leuchteinheiten, entlang einer geraden Linie angeordnet. Diese gerade Linie verläuft bevorzugt auf der Längsachse, in Draufsicht gesehen. Ferner ist es möglich, dass die Kontaktstege in Draufsicht gesehen symmetrisch zur Längsachse geformt sind. Mit anderen Worten kann die Längsachse eine Symmetrieachse und eine Mittelachse bilden, in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Aufwachssubstrat elektrisch isolierend. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Aufwachssubstrat um ein Saphirsubstrat. In diesem Fall basiert die Halbleiterschichtenfolge bevorzugt auf dem Materialsystem AlInGaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließen das Aufwachssubstrat und die Halbleiterschichtenfolge, in Draufsicht gesehen, bereichsweise oder ringsum bündig miteinander ab. Mit anderen Worten überragt die Halbleiterschichtenfolge das Aufwachssubstrat nicht, und umgekehrt. Weiterhin überragen die Kontaktstege und/oder die Kontaktflächen das Aufwachssubstrat und/oder die Halbleiterschichtenfolge bevorzugt nicht, in Draufsicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Leuchteinheiten gleich aufgebaut, insbesondere im Rahmen der Herstellungstoleranzen. Dabei können alle Leuchteinheiten aus derselben Halbleiterschichtenfolge hergestellt sein und einen identischen Schichtaufbau, gleiche Materialzusammensetzungen und gleiche spektrale Eigenschaften aufweisen, je im Rahmen der Herstellungstoleranzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktstege je aus einem oder mehreren Metallen hergestellt. Beispielsweise umfassen die Kontaktstege eines oder mehrere der nachfolgenden Metalle oder bestehen aus einem oder mehreren dieser Metalle: Ti, Pt, Pd, Au, Ag, Al, Ni, Zn.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktstege lichtundurchlässig. Bevorzugt sind die Kontaktstege reflektierend für sichtbares Licht Ein Reflexionsgrad etwa für blaues Licht beträgt bevorzugt mindestens 80 % oder 90 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Leuchteinheiten des Halbleiterchips zu genau einer Serienschaltung verschaltet. Alternativ befinden sich auf dem Aufwachssubstrat zwei oder mehr als zwei Serienschaltungen der Leuchteinheiten. Dabei ist es möglich, dass die bevorzugt genau zwei Serienschaltungen symmetrisch hinsichtlich der Längsachse des Aufwachssubstrats angeordnet sind, in Draufsicht gesehen. Die Serienschaltungen können auch, in Draufsicht gesehen, U-förmig oder W-förmig arrangiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der optoelektronische Halbleiterchip als Ersatz für einen Glühdraht vorgesehen. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Halbleiterchip um ein Leuchtdiodenfilament.
Ein entsprechendes Leuchtmittel, wie hier angegeben, umfasst bevorzugt mehrere solche Halbleiterchips, die etwa in einem Kolben aus einem transparenten Material wie Glas angeordnet sind und eine äußere Gestalt einer Glühbirne nachahmen können. Ein solches Leuchtmittel kann mit einen für Glühlampen üblichen Schraubsockel oder auch mit einen Stecksockel elektrisch und mechanisch kontaktiert werden.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 3 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips,
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leuchtmittels mit hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips, und
5 eine Abwandlung eines Leuchtdiodenfilaments.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 dargestellt, siehe die perspektivische Darstellung in 1A, die Draufsicht in 1B sowie die Seitenansicht in 1C.
Auf einem Aufwachssubstrat 2 mit einer Aufwachsoberfläche 20 ist eine Halbleiterschichtenfolge 3 epitaktisch aufgewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge 3 umfasst eine n-leitende n-Seite 31, eine p-leitende p-Seite 33 sowie eine dazwischenliegende aktive Zone 32 zur Erzeugung von Licht.
Die Halbleiterschichtenfolge 3 ist in mehrere Leuchteinheiten 5 unterteilt, wobei sich die n-Seite 31 durchgehend über alle Leuchteinheiten 5 erstreckt. Dagegen sind die aktive Zone 32 sowie die p-Seite 33 je auf eine der Leuchteinheiten 5 begrenzt. Zwischen benachbarten Leuchteinheiten 5 befindet sich je ein Graben 8, der bis in die n-Seite 31 reicht. In Draufsicht gesehen ist der Graben 8 T-förmig gestaltet. In Richtung senkrecht zu einer Längsachse A des Aufwachssubstrats 2 und in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche 20 gesehen durchdringt der Graben 8 die aktive Zone 32 und die p-Seite 33 vollständig.
An einer dem Aufwachssubstrat 2 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 3 befinden sich mehrere elektrische Kontaktstege 4. Die Kontaktstege 4 sind aus einem oder mehreren Metallen geformt. Die Kontaktstege 4 weisen eine Bifurkation 44 auf, von der ausgehend die Kontaktstege U-förmig an einer Seite und linear an einer anderen Seite gestaltet sind. Der lineare Teil der Kontaktstege 4 ist über eine Stufe 35 zwischen benachbarten Leuchteinheiten 5 hinweg geführt. Somit reicht der Kontaktsteg 4 von der p-Seite 33 von einer ersten der Leuchteinheiten 5 zu der n-Seite 31 der nachfolgenden Leuchteinheit 5.
Durch die Kontaktstege 4 sind alle Leuchteinheiten 5 elektrisch in Serie geschaltet. Eine externe elektrische Kontaktierung dieser Serienschaltung und somit des Halbleiterchips 1 erfolgt über elektrische Kontaktflächen 6, die sich an den beiden gegenüberliegenden Enden des Aufwachssubstrats 2 an der Aufwachsoberfläche 20 befinden. Die Kontaktflächen 6 sind bevorzugt durch flächige Metallisierungen gebildet.
Die Leuchteinheiten 5 sowie zumindest alle Kontaktstege 4, die nicht direkt an die Kontaktflächen 6 grenzen, sind im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich gestaltet. Jede der Leuchteinheiten 5 umfasst bevorzugt einen pn-Übergang mit einer Vorwärtsspannung im Bereich von 3 V. Bevorzugt sind in etwa 30 der Leuchteinheiten 5 elektrisch in Serie geschaltet. Die Serienschaltung verläuft entlang der Längsachse A.
Bevorzugt, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, ist in radialer Richtung ringsum um das Aufwachssubstrat 2 zusammen mit der Halbleiterschichtenfolge 3 eine Leuchtstoffhülle 7 angebracht, zur Vereinfachung der Darstellung lediglich in 1C angedeutet. Über diese Leuchtstoffhülle 7 kann blaues Licht, erzeugt in den Leuchteinheiten 5, teilweise in gelbes Licht umgewandelt werden, so dass insgesamt weißes Licht abgestrahlt wird. Ein im bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterchips 1 emittierter Lichtstrom liegt in diesem Fall zum Beispiel bei ungefähr 130 lm bis 150 lm. Mit zwei solchen Halbleiterchips 1 kann somit eine 25 W-Glühlampe ersetzt werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, siehe die Draufsicht in 2A und die Seitenansicht in 2B. Abweichend von 1 sind die Gräben 8 zwischen den Leuchteinheiten 5 in Draufsicht gesehen Y-förmig gestaltet, wie auch optional die Kontaktstege 4. In Seitenansicht gesehen erscheint somit die Halbleiterschichtenfolge 3 durchgehend gleich hoch. Es besteht zwischen den Leuchteinheiten 5 keine durchgehende Sichtverbindung in Richtung parallel zur Aufwachsoberfläche 20 durch die Halbleiterschichtenfolge 3 hindurch.
Neben den T-förmigen und Y-förmigen Gräben 8 aus den 1B und 2A sind auch komplexere Gestaltungen für die Gräben 8 möglich. Ebenso können weiter verzweigte, komplexer gestaltete elektrische Kontaktstege 4 verwendet werden.
In 3 sind schematische Draufsichten auf weitere Ausführungsbeispiele der Halbleiterchips 1 illustriert. Gemäß 3A sind zwei Serienschaltungen, beispielsweise zu je ungefähr 30 Leuchteinheiten, parallel zueinander auf der Aufwachsoberfläche 20 erzeugt. Jede der Serienschaltungen ist über je zwei elektrische Kontaktflächen 6a, 6b extern elektrisch kontaktierbar, so dass die Serienschaltungen unabhängig voneinander betreibbar sind. Alternativ ist es möglich, dass je eine der Kontaktflächen 6a mit einer der Kontaktflächen 6b zusammengefasst ist, so dass eine Parallelschaltung der beiden Serienschaltungen mit insgesamt nur zwei Kontaktflächen besteht. Der Halbleiterchip 1 der 3A umfasst somit in Summe ungefähr 60 Leuchteinheiten, so dass der Halbleiterchip 1 der 3A bestimmungsgemäß in etwa die Leuchtstärke einer 25 W-Glühlampe aufweist.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 3B gezeigt, ist die Serienschaltung in Draufsicht gesehen U-förmig ausgebildet. Die beiden Kontaktflächen 6 befinden sich an einem einzigen Ende des Aufwachssubstrats 2. Abweichend von der Darstellung in 3B ist es möglich, Serienschaltungen mit mehreren Windungen entlang der in 3 nur vereinfacht illustrierten Kontaktstege zu gestalten.
In 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Leuchtmittels 10 dargestellt. Das Leuchtmittel 10 weist einen Kolben 13 etwa aus Glas auf, der sich an einem Sockel 12, bevorzugt ein Schraubsockel, befindet. Ausgehend von dem Sockel 12 ist eine Halterung 14 vorhanden, an der sich mehrere der Halbleiterchips 1 befinden. Somit stellen die Halbleiterchips 1 jeweils Leuchtdiodenfilamente 11 dar, die einen Glühfaden einer Glühlampe nachahmen. Dadurch, dass die Halbleiterchips 1 aufgrund des Aufwachssubstrats 2 mechanisch stabil sind, ist eine effiziente Montage an der Halterung 14 möglich.
In 5 ist eine Leuchtdiodeneinheit gezeigt. Mehrere einzelne Leuchtdiodenchips 93 sind über eine Verbindungsmittelschicht 92 an einem Träger 91, etwa aus Glas, angebracht. Benachbarte Leuchtdiodenchips 93 sind über Bonddrähte 94 miteinander elektrisch verschaltet. Elektrische Kontaktflächen 6 überragen den Träger 91.
Die Herstellung eines solchen Leuchtdiodenfilaments, wie in 5 illustriert, ist mit einem größeren Herstellungsaufwand verbunden, da eine nachträgliche elektrische Verschaltung von benachbarten Leuchtdiodenchips 93 durch die Bonddrähte 94 erforderlich ist. Weiterhin müssen die Leuchtdiodenchips 93 separat auf dem Träger 91 angebracht werden. Außerdem besteht ein erhöhter Platzbedarf und aufgrund der Verbindungsmittelschicht 92 ist auch eine größere Gefahr von vorzeitigen Ausfällen des Bauteils gegeben.
Demgegenüber lassen sich die obigen Ausführungsbeispiele der Halbleiterchips 1, die als Leuchtdiodenfilamente verwendbar sind, effizienter herstellen, sind weniger fehleranfällig und weisen eine kompaktere Bauweise auf.
Die hier beschriebene 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.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronischer Halbleiterchip
2: Aufwachssubstrat
20: Aufwachsoberfläche
3: Halbleiterschichtenfolge
31: n-leitende n-Seite
32: aktive Zone
33: p-leitende p-Seite
34: Seitenfläche
35: Stufe zwischen benachbarten Leuchteinheiten
4: elektrischer Kontaktsteg
44: Bifurkation
5: Leuchteinheit
6: elektrische Kontaktfläche
7: Leuchtstoffhülle
8: Graben
91: Träger
92: Verbindungsmittelschicht
93: LED-Chip
94: Bonddraht
10: Leuchtmittel
11: Leuchtdiodenfilament
12: Schraubsockel
13: Kolben
14: Halterung
A: Längsachse

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit – einem mechanisch selbsttragenden, lichtdurchlässigen Aufwachssubstrat (2) mit einer Aufwachsoberfläche (20), – einer Halbleiterschichtenfolge (3), die sich direkt an der Aufwachsoberfläche (20) befindet, und die eine n-leitende n-Seite (31), eine p-leitende p-Seite (33) und eine dazwischenliegende aktive Zone (32) zur Lichterzeugung umfasst, und – mehreren elektrischen Kontaktstegen (4), wobei – die Halbleiterschichtenfolge (3) in eine Vielzahl von Leuchteinheiten (5) strukturiert ist und die Leuchteinheiten (5) über die Kontaktstege (4) elektrisch in Serie geschaltet sind, und – ein Verhältnis aus einer Länge entlang einer Längsachse (A) zu einer Breite des Aufwachssubstrats (2) mindestens 15 beträgt, in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche (20) gesehen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich die Halbleiterschichtenfolge (3) durchgehend und zusammenhängend über alle Leuchteinheiten (5) erstreckt, wobei zwischen benachbarten Leuchteinheiten (5) die aktive Zone (32) und die p-Seite (33) entfernt sind, sodass die n-Seite (31) freigelegt ist, und wobei der Halbleiterchip (1) frei von Bonddrähten ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der im Betrieb in Richtung senkrecht zur Längsachse (A) nach allen Seiten hin Licht emittiert, sodass der Halbleiterchip (1) näherungsweise eine zylindersymmetrische Abstrahlcharakteristik aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend zwei elektrische Kontaktflächen (6) zum externen elektrischen Anschließen des Halbleiterchips (1), wobei sich die elektrischen Kontaktflächen (6), entlang der Längsachse (A) gesehen, an einem einzigen oder an beiden Enden des Aufwachssubstrats (2) befinden.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Kontaktflächen (6) und die Kontaktstege (4) die Halbleiterschichtenfolge (3), in Richtung weg von der Aufwachsoberfläche (20), um höchstens 5 µm überragen, wobei die Kontaktstege (4) zu mindestens 90 % ihrer Längsausdehnung parallel zur Aufwachsoberfläche (20) verlaufen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufwachssubstrat (2) und die Halbleiterschichtenfolge (3) zusammengenommen in radialer Richtung, senkrecht zur Längsachse (A), ringsum von einer Leuchtstoffhülle (7) umgeben sind, wobei sich die Leuchtstoffhülle (7) stellenweise direkt an dem Aufwachssubstrat (2) befindet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwei aufeinanderfolgende Leuchteinheiten (5) durch einen in Draufsicht T-förmigen Graben (8) voneinander separiert sind, wobei durch den Graben (8) die n-Seite (31) freigelegt ist und in Seitenansicht gesehen die Halbleiterschichtenfolge (3) zwischen benachbarten Leuchteinheiten (5) niedriger ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zwei aufeinanderfolgende Leuchteinheiten (5) durch einen in Draufsicht Y-förmigen Graben (8) voneinander separiert sind, wobei durch den Graben (8) die n-Seite (31) freigelegt ist und sich in Seitenansicht gesehen die Halbleiterschichtenfolge (3) in gleichbleibender Höhe über alle Leuchteinheiten (5) hinweg erstreckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen benachbarten Leuchteinheiten (5) je genau eine Stufe (35) geformt ist, über die hinweg sich jeweils einer der Kontaktstege (4) erstreckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest die die Leuchteinheiten (5) elektrisch verbindenden Kontaktstege (4) je zumindest eine Bifurkation (44) aufweisen, in Draufsicht gesehen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen einschließlich 24 und 36 der Leuchteinheiten (5) elektrisch in Serie verschaltet sind, sodass eine Vorwärtsspannung des Halbleiterchips (1) zwischen einschließlich 70 V und 115 V liegt, wobei diese Leuchteinheiten (5) entlang einer geraden Linie angeordnet sind und wobei die Kontaktstege (4), in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche (20) gesehen, symmetrisch zur Längsachse (A) geformt sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aufwachssubstrat (2) aus Saphir ist und die Halbleiterschichtenfolge (3) auf dem Materialsystem AlInGaN basiert, wobei das Aufwachssubstrat (2) und die Halbleiterschichtenfolge (3), in Draufsicht auf die Aufwachsoberfläche (20) gesehen, ringsum bündig miteinander abschließen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leuchteinheiten (5) jeweils gleich aufgebaut sind, wobei die Kontaktstege (4) aus einem oder mehreren Metallen bestehen und lichtundurchlässig sind, und wobei alle Leuchteinheiten (5) zu genau einer elektrischen Serienschaltung verschaltet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Ersatz für einen Glühdraht in einem Leuchtmittel (10) vorgesehen ist, sodass der Halbleiterchip (1) ein Leuchtdiodenfilament (11) ist.