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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
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Optoelektronische Bauelemente weisen in der Regel silberbeschichtete Oberflächen, beispielsweise silberbeschichtete Substrate, auf, da Silber eine hohe Reflektivität über dem sichtbaren Spektralbereich aufweist. Allerdings ist Silber sehr korrosionsempfindlich, vor allem gegenüber korrosiven Medien, wie Gase, Flüssigkeiten, Umwelteinflüsse, beispielsweise Schwefelwasserstoff. Die Oberfläche des Silbers verfärbt sich in Kontakt mit korrosiven Medien dunkel, insbesondere braun bis schwarz. Dadurch kann weniger Licht reflektiert werden. Zudem ist die Reflexion zum Beispiel bei Braunfärbung wellenlängenabhängig. Das optoelektronische Bauelement leuchtet daher dunkler und in einer andersartigen, nicht gewünschten Lichtfarbe. Aufgrund der hohen Anforderung an die Helligkeits- und Farbstabilität werden optoelektronische Bauelemente in der Regel mit Silikon verkapselt, da Silikone im Vergleich zu Epoxidharzen eine höhere Lichtstabilität und eine geringere Alterung aufweisen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass Silikone eine hohe Gasdurchlässigkeit aufweisen, so dass korrosive Medien, z.B. korrosive Gase, leicht bis zur Oberfläche des Silbers vordringen können. Das optoelektronische Bauelement ist daher zwar licht- und farbstabiler, jedoch empfindlich gegenüber korrosiven Gasen, die insbesondere bei Betrieb im Straßenverkehr auftreten.
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Die Druckschrift
US 2006 / 0 186 428 A1 offenbart ein lichtemittierendes Bauelement mit verbesserter Verkapselungshaftung unter Verwendung von Siloxanmaterial und ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.
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Die Druckschrift
WO 98/ 47 189 A1 offenbart ein elektrolumineszentes Bauelement.
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Die Druckschrift
WO 2015/ 159 371 A1 offenbart einen Beschichtungsfilm, ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsfilms und ein lichtemittierendes Diodenbauelement.
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Die Druckschrift
JP 2010- 97 065 A offenbart einen Reflektor.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein optoelektronisches Bauelement zur Verfügung zu stellen, das gegen korrosiven Gasen stabil ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das ein stabiles Bauelement erzeugt.
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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. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 15 bis 17.
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In zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen optoelektronischen Halbleiterchip auf. Der optoelektronische Halbleiterchip ist zur Emission von Strahlung eingerichtet. Das Bauelement weist zumindest eine metallische reflektierende Oberfläche und zumindest eine funktionale Komponente auf. Die funktionale Komponente weist zumindest eine Komponentenoberfläche auf. Die Komponentenoberfläche ist von der metallischen reflektierenden Oberfläche verschieden. Das Bauelement weist einen Barriereschichtenstapel auf. Der Barriereschichtenstapel ist zum Schutz vor korrosiven Medien oder Gasen eingerichtet. Der Barriereschichtenstapel ist sowohl auf der zumindest einen metallischen reflektierenden Oberfläche als auch auf der Komponentenoberfläche angeordnet. Der Barriereschichtenstapel weist zumindest eine anorganische Oxidschicht oder eine anorganische Oxinitridschicht oder eine anorganische Nitridschicht und zumindest eine plasmapolymerisierte Siloxanschicht auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Leuchtdiode, kurz LED. Das optoelektronische Bauelement ist bevorzugt dazu eingerichtet, gelbes, blaues, rotes, orangefarbenes, grünes oder weißes Licht zu emittieren.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst dieses zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der optoelektronische Halbleiterchip weist eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamN oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um AlxGa1-xAs handeln mit 0 ≤ x ≤ 1. 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 und/oder ergänzt sein können.
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Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb des Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten, IR- und/oder sichtbaren Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 680 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement zumindest eine metallische reflektierende Oberfläche auf. Die metallische reflektierende Oberfläche ist bevorzugt aus Silber geformt oder besteht aus Silber oder einer silberhaltigen Legierung. Silber weist neben der guten elektrischen und thermischen Anbindung an den Halbleiterchip eine sehr hohe Reflektivität über den sichtbaren Spektralbereich auf und erhöht damit die Helligkeit und/oder die Effizienz des optoelektronischen Bauelements. Dies ist vor allem bei optoelektronischen Bauelementen von Vorteil, die mit geklebten Volumenemitter-Halbleiterchips ausgestaltet sind, da ein Großteil des von dem Halbleiterchip emittierten Lichts oder Strahlung auf die metallische reflektierende Oberfläche trifft.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die metallische reflektierende Oberfläche mittels Sputtern, Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebracht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die metallische reflektierende Oberfläche eine Reflektivität von größer 90 Prozent, vorzugsweise größer als 95 Prozent, besonders bevorzugt größer als 99 Prozent auf. Vorzugsweise ist die metallische reflektierende Oberfläche empfindlich gegen korrosiven Gasen. Mit anderen Worten reagiert die metallische reflektierende Oberfläche mit korrosiven Gasen, wie Schwefelwasserstoff, zu einer chemischen Verbindung, die eine andere physikalische und/oder chemische Eigenschaft als die metallische reflektierende Oberfläche aufweist. Beispielsweise reagieren Silber und Schwefelwasserstoff nach folgender Reaktion zu Silbersulfid, das dunkel gefärbt ist und die Reflektivität des Silbers reduziert: 2 Ag + H2S → Ag2S + 2 H+ + 2 e-
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Ausführungsform weist das Bauelement eine funktionale Komponente auf. Die funktionale Komponente ist vorzugsweise aus der folgenden Gruppe oder Kombinationen daraus ausgewählt: Halbleiterchip, ESP-Halbleiterchip, Bonddraht, Träger, Leiterrahmen, Kunststoffgehäuse, Gehäuse, Klebstoff zur Befestigung des Halbleiterchips (Chipklebstoff) oder Chip-Interconnect. Der Hauptnutzen der plasmapolymerisierten Siloxanschicht ist momentan der erweiterte Schutz im Bereich des Chipklebstoffs (eine einzelne dünne anorgnaische Schicht bricht schnell auf dem weichen Polymeruntergrund, beispielsweise aus Silikon. Grundsätzlich bietet eine einfache Oxidschicht sonst ausreichenden Schutz, sofern sie intakt bleibt. Die plasmapolymerisierten Siloxanschicht ist also nicht unbedingt dazu da, die (intrinsische) Durchlässigkeit der Schicht bzw. des Schichtstapels zu verbessern, sondern bei mechanischer Beschädigung vornehmlich der (spröden) Oxidschicht diesen „Riss“ noch halbwegs abzudichten.
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Die funktionale Komponente weist zumindest eine Komponentenoberfläche auf. Die Komponentenoberfläche ist von der metallischen reflektierenden Oberfläche verschieden. Vorzugsweise wird hier als metallische reflektierende Oberfläche jede Oberfläche bezeichnet, die Silber umfasst oder daraus besteht. Als Komponentenoberfläche wird vorzugsweise jede Oberfläche bezeichnet, die frei von Silber ist. Die Komponentenoberfläche kann nichtmetallisch oder metallisch sein. Beispielsweise ist die Komponentenoberfläche die Oberfläche eines Halbleiterchips, vorzugsweise die Strahlungsaustrittsfläche oder die Seitenflächen des Halbleiterchips, des Chipklebstoffes oder des Chipinterconnects, die Oberfläche des Bonddrahts, die Oberfläche eines Trägers, die Oberfläche eines Leiterrahmens und/oder die Oberfläche eines Kunststoffgehäuses.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement einen Barriereschichtenstapel auf. Der Barriereschichtenstapel ist bevorzugt dazu eingerichtet, die metallische reflektierende Oberfläche und/oder die funktionale Komponente mit der Komponentenoberfläche vor korrosiven Medien, insbesondere vor Schwefelwasserstoff, zu schützen. Alternativ oder zusätzlich kann der Barriereschichtenstapel auch die Oberflächen vor Umwelteinflüssen, wie Temperaturwechselbelastung und Feuchtigkeit, schützen.
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Der Barriereschichtenstapel ist vorzugsweise sowohl auf der zumindest einen metallischen reflektierenden Oberfläche als auch auf der Komponentenoberfläche angeordnet. Die Anordnung kann direkt, also unmittelbar, oder indirekt, also mittelbar, sein. Mit direkt wird hier bezeichnet, dass zwischen dem Barriereschichtenstapel und den Oberflächen keine weiteren Elemente oder Schichten, wie beispielsweise Klebstoffschichten, vorhanden sind. Mit indirekt wird hier bezeichnet, dass zwischen dem Barriereschichtenstapel und den Oberflächen noch weitere Elemente oder Schichten vorhanden sein können.
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Als Barriereschichtenstapel wird hier ein Schichtenstapel aus zumindest einer anorganischen Oxidschicht und/oder einer anorganischen Oxinitridschicht und/oder einer anorganischen Nitridschicht und zumindest einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht bezeichnet. Mit anderen Worten weist der Barriereschichtenstapel eine Mehrfachlagen- oder Multilagenstruktur auf. Vorzugsweise weist der Barriereschichtenstapel im sichtbaren Spektralbereich eine hohe Transparenz auf. Mit Transparenz wird hier und im Folgenden eine Transmission im sichtbaren Spektralbereich von mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 % bezeichnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht Oxide, Oxinitride oder Nitride aus einem oder mehreren Elementen der folgenden Gruppe auf: Silizium, Aluminium, Titan, Zink, Indium, Zinn, Niob, Tantal, Hafnium, Zirkon, Yttrium, Germanium. Die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht kann außerdem aus anderen, im sichtbaren Spetralbereich möglichst transparenten, Oxiden, Oxinitriden oder Nitriden gebildet werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die anorganische Oxidschicht aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Zinkoxid, Indiumoxid, Zinnoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Hafniumoxid, Zirkonoxid oder Yttriumoxid geformt oder umfasst dieses. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die anorganische Nitridschicht aus Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Germaniumnitrid geformt oder umfasst dieses.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht eine Schichtdicke zwischen einschließlich 5 nm und einschließlich 100 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 15 nm und einschließlich 65 nm, beispielsweise 40 nm auf. Die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht ist also sehr dünn ausgeformt, kann spröde sein und daher sehr empfindlich sein gegenüber mechanischen Einflüssen, wie sie beispielsweise während der weiteren Prozessierung des Bauelements oder beim späteren Bestückungsprozess auftreten können, wodurch Risse oder andere Defekte in der anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht entstehen können. Die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht weist eine hohe Barrierewirkung gegen korrosiven Medien, wie Schwefelwasserstoff oder anderen Schadgasen, auf. Die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht kann mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung, wie beispielsweise PECVD, oder Atomlagenabscheidung (ALD), aufgebracht werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Barriereschichtenstapel eine plasmapolymerisierte Siloxanschicht auf. Plasmapolymerisierte Siloxanschicht meint hier eine mittels Plasmapolymerisation erzeugte Schicht, bei der während der Abscheidung organische Precursoren zugeführt werden. Plasmapolymerisation ist eine spezielle plasmaaktivierte Variante der chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD). Bei der Plasmapolymerisation werden dampfförmige organische Vorläuferverbindungen, also Precursormaterialien, in eine Prozesskammer zunächst durch ein Plasma aktiviert. Durch die Aktivierung entstehen ionische Moleküle und es bilden sich bereits in der Gasphase erste Molekülfragmente in Form von Clustern oder Ketten. Die anschließende Kondensation dieser Fragmente auf die entsprechenden Oberflächen bewirkt dann unter Einwirkung von Temperatur, Elektronen- und Ionenbeschuss die Polymerisation und somit die Bildung einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht. Vorzugsweise wird die Plasmapolymerisation im Vakuum oder unter Atmosphärendruck durchgeführt. Der Precursor kann aus folgender Gruppe ausgewählt sein: Hexamethyldisiloxan, Tetramethyldisiloxan, Divinyltetramethyldisiloxan. Die plasmapolymerisierte Siloxanschicht weist vorzugsweise polymerisierte Si-O-Einheiten auf.
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Die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht ist vergleichsweise spröde, während die plasmapolymerisierte Siloxanschicht noch einen Restgehalt an organischem Material beziehungsweise Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoffketten aufweist und daher weniger spröde und etwas weicher ausgeformt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die plasmapolymerisierte Siloxanschicht eine Schichtdicke zwischen einschließlich 5 nm und einschließlich 2 um, vorzugsweise zwischen einschließlich 25 nm und einschließlich 500 nm, beispielsweise 250 nm auf. Mit anderen Worten ist vorzugsweise die plasmapolymerisierte Siloxanschicht dicker als die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht ausgeformt. Die plasmapolymerisierte Siloxanschicht neigt im Vergleich zur anorganischen Oxidschicht zu weniger Rissbildungen. Je nach Art der korrosiven Medien bildet die plasmapolymerisierte Siloxanschicht ohne die Kombination mit der anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht einen etwas schlechteren Barriereschutz. Die plasmapolymerisierte Siloxanschicht weist eine hohe mechanische Festigkeit verglichen mit der Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht auf, da sie flexibler und duktiler ist und zu weniger Rissbildung neigt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ähnlicher zu dem der zu beschichtenden Oberflächen, so dass die bei Temperatursprüngen auftretenden mechanischen Spannungen geringer verglichen mit einer anorganischen Oxid-, Oxinitrid-oder Nitridschicht sind.
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Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung eines Barriereschichtenstapel, der eine Kombination aus einer anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht und einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht aufweist, die Oberflächen im Bauelement gegen korrosiven Medien und anderen Umwelteinflüssen geschützt werden können. Es werden also sowohl Silberoberflächen als auch silberfreie Oberflächen, vorzugsweise alle während des Aufbringens des Barriereschichtenstapels frei zugänglichen Oberflächen mit dem Barriereschichtenstapel beschichtet. Damit kann vergleichbar einfach eine Barrierewirkung erzeugt werden, ohne zwischen den Oberflächen unterscheiden zu müssen. Im Vergleich dazu zeigen herkömmliche Barriereschichten mit einer anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht häufig Risse in diesen Schichten. Diese Risse können zum Beispiel beim Auflöten eines optoelektronischen Bauteils oder einer weiteren Komponente oder durch Temperaturschwankungen oder anderer Umwelteinflüsse im späteren Betrieb entstehen. In diesem Fall können korrosive Medien an die metallische reflektierende Oberfläche und an die Komponentenoberfläche, vorzugsweise an die metallische reflektierende Silber-Oberfläche gelangen, so dass in diesem Bereich um den Riss eine Korrosion auftritt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Barriereschichtenstapel zumindest eine Schichtstruktur aus einer anorganischer Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht und einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht auf. Vorzugsweise können auch mehrere Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschichten und mehrere plasmapolymerisierte Siloxanschichten den Barriereschichtenstapel bilden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die plasmapolymerisierte Siloxanschicht sowohl der zumindest einen metallischen reflektierenden Oberfläche als auch der Komponentenoberfläche direkt nachgeordnet und die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht der plasmapolymerisierten Siloxanschicht nachgeordnet. Mit anderen Worten weist der Barriereschichtenstapel eine Schichtstruktur auf, die mindestens zwei Schichten mit der Reihenfolge plasmapolymerisierte Siloxanschicht und anorganische Oxid-, Oxinitrid-oder Nitridschicht umfasst.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die plasmapolymerisierte Siloxanschicht oder eine weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht sowohl der zumindest einen metallischen reflektierenden Oberfläche als auch der Komponentenoberfläche direkt nachgeordnet und die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht der plasmapolymerisierten Siloxanschicht oder der weiteren plasmapolymerisierten Siloxanschicht nachgeordnet. Zusätzlich ist der anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht eine weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht oder die plasmapolymerisierte Siloxanschicht nachgeordnet. Mit anderen Worten weist der Barriereschichtenstapel eine Schichtstruktur auf, die mindestens drei Schichten mit der Reihenfolge plasmapolymerisierte Siloxanschicht, anorganische Oxid-, Oxinitrid-oder Nitridschicht und weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht oder mit der Reihenfolge weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht, anorganische Oxid-, Oxinitrid-oder Nitridschicht und plasmapolymerisierte Siloxanschicht umfasst. Die weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht kann die bisher beschriebenen Materialien und Ausführungen der plasmapolymerisierten Siloxanschicht aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt der Barriereschichtenstapel zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, die Oberflächen eines Halbleiterchips, die Oberflächen einer Kontaktierung und/oder die Oberflächen des Gehäuses. Mit anderen Worten kann während der Herstellung ein Halbleiterchip, eine Kontaktierung und ein Gehäuse bereitgestellt werden und dann der Barriereschichtenstapel auf alle freiliegenden Oberflächen aufgebracht werden. Es muss also nicht zwingend der Barriereschichtenstapel selektiv auf die metallische reflektierende Oberfläche aufgebracht werden, sondern kann auch auf weitere funktionelle Komponenten ganzflächig aufgebracht werden. Damit können Prozessschritte und Zeit gespart werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht sowohl auf der zumindest einen metallischen reflektierenden Oberfläche als auch auf der Komponentenoberfläche direkt nachgeordnet und die plasmapolymerisierte Siloxanschicht ist der anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht nachgeordnet. Mit anderen Worten weist der Barriereschichtenstapel eine Reihenfolge in Richtung weg von den Oberflächen aus anorganischer Schicht und plasmapolymerisierter Siloxanschicht auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die plasmapolymerisierte Siloxanschicht oder die weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht die Abschlussschicht des Barriereschichtenstapels. Dies ist von Vorteil, weil die Oberflächeneigenschaften über die Abscheidebedingungen gezielt eingestellt werden können und auf diese Weise beispielsweise hinsichtlich der Haftung des späteren Vergussmaterials angepasst werden kann.
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Die Abscheidung einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht kann über die Wahl des Precursors, also der Monomer-Zusammensetzung und über die genaue Prozessführung, insbesondere über die Plasmaleistung sowie das Precursor-zu-Sauerstoff-Verhältnis gezielt verändert und eingestellt werden. Insbesondere können durch die Prozessparameter die Barrierewirkung, die Gasdiffusion, die optische Transparenz, die Haftung, die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Ausdehnungskoeffizient und die Oberflächenenergie, eingestellt werden. Diese Parameter können auch während der Abscheidung geändert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Barriereschichtenstapel genau eine Kombination aus einer anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht mit einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht auf. Ein entsprechender Prozessfluss für ein optoelektronisches Bauelement könnte damit wie folgt aussehen. Zuerst könnte ein Halbleiterchip aufgebracht werden. Anschließend könnten die Kontaktierungen erfolgen. Anschließend könnte eine anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht abgeschieden werden. Anschließend könnte die plasmapolymerisierte Siloxanschicht abgeschieden werden. Das Bauelement könnte vergossen und anschließend vereinzelt werden. Alternativ ist auch eine umgekehrte Reihenfolge im Schichtenstapel, also zuerst das Aufbringen einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht und anschließend das Aufbringen einer anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht, denkbar. Hierbei können die mechanischen Spannungen an den Grenzflächen der verschiedenen Substratmaterialien in geringerem Maße an die spröde anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht angepasst werden und somit die Rissbildung verringert werden. Allerdings können die korrosiven Medien, die durch die trotzdem entstandenen Risse in der anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht eindringen können, unter Umständen besser in der substratnahen plasmapolymerisierten Siloxanschicht ausgebreitet werden und auf einer größeren Fläche korrodierend wirken.
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Um die Schutzwirkung weiter zu verbessern, können daher zusätzlich Schichten abgeschieden werden, beispielsweise eine Kombination von plasmapolymerisierter Siloxanschicht, anorganischer Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht und einer weiteren plasmapolymerisierten Siloxanschicht, wobei die plasmapolymerisierte Siloxanschicht gleichzeitig die Abschlussschicht bildet. In Bezug auf das oben beschriebene Problem hat sich bei diesem Barriereschichtenstapel vorteilhaft erwiesen, dass dieser hervorragend gegen korrosive Medien stabil ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform können die metallische reflektierende Oberfläche und die Komponentenoberfläche vor Aufbringen des Barriereschichtenstapels vorbehandelt werden beziehungsweise gereinigt werden. Die Reinigung kann beispielsweise mittels Plasmabehandlung erfolgen. Durch Steuerung der Prozessführung vornehmlich durch Steuerung des Sauerstoffpartialdrucks kann zudem gezielt die Oberflächenenergie beziehungsweise die Oberflächenchemie der plasmapolymerisierten Siloxanschicht eingestellt werden. Dadurch kann auch die Oberflächenenergie in einem weiten Bereich eingestellt werden und somit an die Materialien für die Verkapselung, die beispielsweise aus Silikon geformt ist, hinsichtlich optimierter Eigenschaften angepasst werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann eine abschließende Oberflächenfunktionalisierung beispielsweise mittels Plasmabehandlung erfolgen, um die Haftung von einer Verkapselung weiter zu verbessern.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Vorzugsweise wird mit dem hier beschriebenen Verfahren das hier beschriebene optoelektronische Bauelement erzeugt. Es gelten insbesondere alle für das optoelektronische Bauelement gemachten Ausführungen, sowohl für das Verfahren als auch für das Bauelement.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
- A) Bereitstellen zumindest eines optoelektronischen Halbleiterchips, der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist, zumindest einer metallischen reflektierenden Oberfläche und zumindest einer funktionalen Komponente mit einer Komponentenoberfläche, die von der metallischen reflektierenden Oberfläche verschieden ist,
- B) Aufbringen eines Barriereschichtenstapels zum Schutz vor korrosiven Medien sowohl auf der zumindest einen metallischen reflektierenden Oberfläche als auch auf der Komponentenoberfläche, wobei der Barriereschichtenstapel durch Erzeugen zumindest einer anorganischen Oxid-, Oxinitrid oder Nitridschicht und einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht hergestellt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird während des Abscheidens der plasmapolymerisierten Siloxanschicht ein oder mehrere Abscheideparameter variiert, beispielsweise Gasflüsse oder Plasmaleistung, wodurch die plasmapolymerisierte Siloxanschicht Gradienten aufweisen kann, beispielsweise im Sauerstoffgehalt oder den optischen Eigenschaften.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die plasmapolymerisierte Siloxanschicht mit einem Sauerstoffgradienten erzeugt. Insbesondere erfolgt das Aufbringen der plasmapolymerisierten Siloxanschicht am Anfang des Prozessierens ohne Zufuhr von Sauerstoff, während beim Erreichen einer bestimmten Schichtdicke, beispielsweise von 50 nm, der Sauerstoffgradient kontinuierlich oder diskret erhöht wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt vor Schritt B) eine Behandlung der metallischen reflektierenden Oberfläche und/oder der Komponentenoberfläche mittels Plasma. Dieser Schritt kann zur Reinigung der Oberflächen erfolgen und damit die Haftung des Barriereschichtenstapels erhöhen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt nach dem Erzeugen einer elektrischen Kontaktierung das Aufbringen des Barriereschichtenstapels. Dies kann auf einer Leiterrahmenbasierten Bauform oder auf einer Keramiksubstrat-basierten Bauform erfolgen.
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Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
- 1A und 1B jeweils eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
- 2A bis 2C jeweils eine schematische Querschnittansicht eines Barriereschichtenstapels gemäß einer Ausführungsform,
- 3 die Reflektivitätseffizienz gemäß einer Ausführungsform, und
- 4A bis 4E Korrosionstests.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
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Die 1A zeigt eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 weist einen Träger 4 auf. Der Träger 4 kann auch ein Leiterrahmen sein. Ferner weist das Bauelement 100 ein Gehäuse 3 und einen Halbleiterchip 1 auf. Der Halbleiterchip 1 ist bevorzugt dazu eingerichtet, Strahlung aus dem blauen, grünen oder roten Spektralbereich zu emittieren. Der Halbleiterchip 1 ist auf dem Träger 4 über einen Chip-Klebstoff aufgebracht. Der Halbleiterchip 1 ist mittels eines Bonddrahts 5 mit dem Leiterrahmen oder Träger 4 elektrisch kontaktiert. Das Bauelement 100 weist Komponentenoberflächen 70 auf (hier nicht gezeigt). Die Komponentenoberflächen sind alle vor dem Vergießen zugänglichen Oberflächen der Komponenten 7, die keine metallischen reflektierenden Oberflächen 6, also vorzugsweise keine Silber-Oberflächen, sind. Beispielsweise ist der Barriereschichtenstapel 8 auf der Oberfläche des Gehäuses, auf der Oberfläche des Bonddrahts, auf der Strahlungsaustrittsfläche und auf den Seitenflächen des Halbleiterchips 1 und/oder auf der Oberfläche des Trägers 4 aufgebracht. Der Barriereschichtenstapel 8, der vorzugsweise ein Mehrfachlagenschichtenstapel aus zumindest einer anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht und einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht ist, ist auf den frei zugänglichen Oberflächen, also auf den Komponentenoberflächen 70 und auf den metallischen reflektierenden Oberflächen 6, die vorzugsweise aus Silber geformt sind, aufgebracht. Damit kann der Barriereschichtenstapel 8, insbesondere die metallischen reflektierenden Oberflächen 6, vor Umwelteinflüssen wie korrosiven Gasen schützen. Der Halbleiterchip 1 kann verkapselt sein. Die Verkapselung 9 kann beispielsweise aus Silikon geformt sein. Die Verkapselung 9 kann beispielsweise Konvertermaterialien wie beispielsweise YAG-Leuchtstoffe umfassen.
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Vorzugsweise wird der Barriereschichtenstapel 8 nach dem Kontaktieren, das heißt nach Aufbringen der Bonddrähte, aufgebracht. Der Barriereschichtenstapel 8 kann aus einer anorganischen Schicht und einer mittels Plasma polymerisierten Siloxanschicht erzeugt sein. Als reflektierende metallische Oberfläche 6 können beispielsweise Silber oder Silberlegierungen vorhanden sein. Der Halbleiterchip 1 kann mittels einer Klebstoffschicht 2 auf dem Träger 4 aufgebracht sein. Der Bonddraht 5 kann aus Gold, Silber oder Legierungen davon geformt sein. Der Leiterrahmen oder der Träger 4 kann aus Silber geformt sein.
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Die 1B zeigt eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 der 1B unterscheidet sich von dem Bauelement der 1A insbesondere dadurch, dass dieses kein vorgefertigtes Gehäuse beziehungsweise Kavität 3 aufweist. Der Halbleiterchip 1 ist über eine Klebstoffschicht 2 auf eine Kontaktierung oder Metallisierung 10 aufgebracht.
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Die Metallisierung 10 kann auf einem Träger 4, beispielsweise aus Keramik, angeordnet sein. Der Barriereschichtenstapel 1 kann sämtliche frei zugängliche Oberflächen bedecken. Vorzugsweise bedeckt der Barriereschichtenstapel 8 sowohl die Oberflächen des Bonddrahts als auch des Halbleiterchips und der Metallisierung oder Kontaktierung 10.
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Die 2A bis 2C zeigen jeweils einen Barriereschichtenstapel gemäß einer Ausführungsform. Die 2A bis 2C zeigen das Bereitstellen eines Trägers 4 oder Leiterrahmens 4. Dieser kann auch fehlen. Die 2A bis 2C zeigen jeweils das Bereitstellen einer metallischen reflektierenden Oberfläche und einer Komponentenoberfläche 6, 70. Auf dieser metallischen Oberfläche 6 und der Komponentenoberfläche 70 kann ein Barriereschichtenstapel 8 erzeugt werden. Der Barriereschichtenstapel 8 kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Falls der Träger Silber umfasst, ist die Trägeroberfläche eine metallisch reflektierende Oberfläche.
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In 2A ist gezeigt, dass der Barriereschichtenstapel 8 eine anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht 81 und dieser direkt nachgeordnet eine plasmapolymerisierte Siloxanschicht 82 aufweist. Die plasmapolymerisierte Siloxanschicht 82 kann mit einem Sauerstoffgradienten, wie in 2A gezeigt, oder ohne einen Sauerstoffgradienten erzeugt werden, siehe 2B.
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Die 2C unterscheidet sich insbesondere von den 2A und 2B dadurch, dass der Barriereschichtenstapel 8 drei Schichten aufweist. Den Oberflächen 6, 70 ist eine weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht 83 nachgeordnet. Die weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht 83 ist beispielsweise mittels Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als Precursor ohne Sauerstoffgradienten erzeugt. Der plasmapolymerisierten Siloxanschicht 83 ist eine anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht 81 nachgeordnet. Der anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht 81 ist die plasmapolymerisierte Siloxanschicht 82 nachgeordnet. Die plasmapolymerisierte Siloxanschicht 82 kann mittels HDMSO als Precursor und ohne einen Sauerstoffgradienten erzeugt werden. Alternativ können die plasmapolymerisierten Siloxanschichten 82, 83 auch mittels eines Sauerstoffgradienten erzeugt werden.
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Als anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschichten können beispielsweise Materialien wie Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder andere Materialien, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) erzeugt werden, verwendet werden.
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Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, also die Mehrfachlagenbeschichtung des Barriereschichtenstapels 8 sind nicht beschränkt. Alternativ können auch mehr als drei Schichten den Barriereschichtenstapel 8 bilden.
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Die 3 zeigt die Reflektivitätseffizienz R von Silberoberflächen in willkürlichen Einheiten a. U. in Abhängigkeit von der Anzahl der klimatischen Zyklen N unter Feuchtebelastung. Die Ergebnisse lassen Schlüsse auch auf andere korrosive Medien zu. Es wird hier also die Wirksamkeit des Barriereschichtenstapels bei korrosiven Umgebungen oder bei Umwelteinflüssen getestet. Die Kurve 3-1 zeigt die Reflektivitätseffizienz des Silbers, die keinen Barriereschichtenstapel oder andere Schutzschichten aufweist.
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Die Kurve mit dem Bezugszeichen 3-2 zeigt die Reflektivitäteffizienz des Silbers mit einem Barriereschichtenstapel aus ausschließlich einer vergleichsweise dünnen anorganischen Oxidschicht. Die Kurve mit dem Bezugszeichen 3-3 zeigt die Reflektivitätseffizienz eines Barriereschichtenstapels, der ausschließlich aus einer vergleichsweise dicken plasmapolymerisierten Siloxanschicht gebildet ist. Die Kurve mit dem Bezugszeichen 3-4 zeigt den hier erfindungsgemäßen Barriereschichtenstapel 8, in diesem Fall einen Barriereschichtenstapel aus einer Kombination einer anorganischen Oxidschicht und einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht. Aus den Kurven ist zu erkennen, dass durch Kombination der anorganischen Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht mit der plasmapolymerisierten Siloxanschicht eine stabile hohe Reflektivität von über 0,9 erzeugt werden kann, der unabhängig von der Anzahl der klimatischen Zyklen N ist.
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Die 4A bis 4E zeigen Korrosionstests. Hier wurde ein Halbleiterchip 1 bereitgestellt. Der Barriereschichtenstapel weist hier eine anorganische Oxidschicht aus Aluminiumoxid und eine plasmapolymerisierte Siloxanschicht aus HDMSO auf. Die 4A zeigt das Resultat eines Korrosionstests, wobei der Barriereschichtenstapel aus einer plasmapolymerisierten Siloxanschicht, einer anorganischen Oxidschicht aus Aluminiumoxid und einer weiteren plasmapolymerisierten Siloxanschicht aus HDMSO erzeugt ist, auf. Es ist keine Korrosion zu erkennen, so dass der Barriereschichtenstapel eine gute Barrierewirkung aufweist. Es ist keine Korrosion an den Grenzflächen, speziell der Grenzfläche zum Chipklebstoff, erkennbar.
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Im Vergleich dazu zeigt die 4B ein optoelektronisches Bauelement 100, das lediglich eine anorganische Barriereschicht aus Aluminium aufweist. Die anorganische Barriereschicht wird mittels Sputtern aufgebracht. Aus der Abbildung ist zu erkennen, dass diese eine gute Barrierefunktion aufweist, aber an den Grenzflächen Risse ausgebildet hat und dort Korrosion zeigt, die sich im Bereich des Chipklebstoffs ausgebreitet hat.
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Die 4C zeigt ein optoelektronisches Bauelement 100, das lediglich eine plasmapolymerisierte Siloxanschicht aus HDMSO als Barriereschicht aufweist. Hier ist eine schlechte Barrierewirkung erkennbar. Die 4D und 4E zeigen einen weiteren Korrosionstest. Die 4D zeigt das optoelektronische Bauelement vor Anwendung des Korrosionstests, die 4E nach der Anwendung des Korrosionstests. Das Bauelement der 4D und 4E weist keine Beschichtung auf. Aus den Figuren ist erkennbar, dass der hier beschriebene Barriereschichtenstapel eine besonders effiziente Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den anderen Barriereschichtenstapeln aufweist.
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Mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement konnte mindestens 90 Prozent der Anfangshelligkeit nach 500 Stunden in 15 ppm Schwefelwasserstoff bei 25 °C und 75 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit ermittelt werden. Mittels eines derartigen Barriereschichtenstapels 8 können metallische reflektierende Oberflächen, insbesondere Silberoberflächen, für optoelektronische Bauelemente hervorragend eingesetzt werden. Die Beschichtung mit Silber ist im Vergleich beispielsweise zur Beschichtung mit Gold deutlich kostengünstiger und führt vor allem durch die höhere Reflektivität über den sichtbaren Spektralbereich zu deutlich effizienteren optoelektronischen Bauelementen. Durch diese höhere Reflektivität wird der Einsatz von Volumenemitter-Halbleiterchips ermöglicht, wodurch weitere Kosten- und Effizienzvorteile entstehen. Neben der metallischen reflektierenden Oberfläche können zudem auch andere Komponentenoberflächen, wie beispielsweise die Bonddrähte, beschichtet sein. Außerdem werden durch den hier genannten Barriereschichtenstapel die metallischen reflektierenden Oberflächen, wie beispielsweise Silberoberflächen von Bonddrähten oder Substraten, vor Verfärbung geschützt, wie es beispielsweise bei der Verwendung von hochphenylisierten beziehungsweise HRI-Silikonen zur Verkapselung der Fall ist. Letztere führen zu einer höheren Helligkeit beziehungsweise zu einer gesteigerten Effizienz des optoelektronischen Bauelements.
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Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren beschrieben oder gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- optoelektronisches Bauelement
- 1
- Halbleiterchip
- 2
- Klebstoff
- 3
- Gehäuse
- 4
- Leiterrahmen, Träger
- 5
- Bonddraht
- 6
- metallische reflektierende Oberfläche
- 7
- Komponente
- 70
- Komponentenoberfläche
- 8
- Barriereschichtenstapel
- 81
- anorganische Oxid-, Oxinitrid- oder Nitridschicht
- 82
- plasmapolymerisierte Siloxanschicht
- 83
- weitere plasmapolymerisierte Siloxanschicht
- 9
- Verkapselung
- 10
- Kontaktierung, Metallisierung