DE102017102477B4

DE102017102477B4 - Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement und Auskoppelelement

Info

Publication number: DE102017102477B4
Application number: DE102017102477.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Dirscherl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2037-02-09
Also published as: US11101412B2; DE102017102477A1; US20200058831A1; WO2018145952A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements (1) für ein optoelektronisches Bauelement (100) mit den Schritten:A) Bereitstellen von Quantenpunkten (2) mit jeweils einem Kern (3), der ein Halbleitermaterial aufweist,B) Erzeugen einer Suspension (4), die die Quantenpunkte (2) in einem Suspensionsmittel (5) aufweist,C) direktes Aufbringen der Suspension (4) auf eine Oberfläche (1001) des optoelektronischen Bauelements (100) und/oder auf eine Oberfläche (61) eines Trägers (6), undD) Entfernen des Suspensionsmittels (5) zur Erzeugung des Auskoppelelements (1), das matrixfrei ist und transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich ist, wobei das Auskoppelelement (1) als Linse ausgeformt wird,wobei die Suspension (4) direkt auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird, und anschließend das Suspensionsmittel (5) entfernt wird, so dass das Auskoppelelement (1) direkt auf der Oberfläche (61) des Trägers (6) erzeugt wird,wobei eine weitere Suspension (7) aufweisend Quantenpunkte (2) als Schicht auf die Oberfläche (1001) des optoelektronischen Bauelements (100) erzeugt wird, wobei anschließend der Träger (6) von dem Auskoppelelement (1) entfernt wird und das Auskoppelelement (1) auf die Schicht aus Quantenpunkten (2) aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Auskoppelelement, insbesondere für ein optoelektronisches Bauelement.
Bisher beschriebene Auskoppelelemente weisen eine unzureichende Auskopplung von in einem Halbleiterchip eines optoelektronischen Bauelements erzeugtem Licht auf, da große Brechungsindizesunterschiede an der Grenzfläche zwischen der Halbleiterchipoberfläche und dessen Umgebung vorhanden ist. Dieses Problem ist insbesondere relevant für Halbleiterchips, welche Strahlung aus dem roten oder IR-Wellenlängenbereich emittieren und InGaAlP- und/oder GaAs-basierte Materialien aufweisen, die einen hohen Brechungsindex von n > 3 zeigen. Halbleiterchips sind typischerweise in einem Matrixmaterial, beispielsweise aus Silikon oder Epoxy mit einem Brechungsindex von 1,4 bis 1,55, eingebettet. Dies erhöht die Auskopplung des von dem Halbleiterchip emittierten Lichts verglichen mit einem Halbleiterchip, der von Luft mit einem Brechungsindex n = 1 umgeben ist. Ferner wirkt das Matrixmaterial als Barriere gegen Umwelteinflüsse und kann als Linse ausgeformt werden, um die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung aus dem Bauelement effizient auszukoppeln. Bisher sind Nanopartikel, wie Zirconiumoxid oder Titandioxid, als hochbrechendes Additiv für Auskoppelmaterialien bekannt. Solche Nanokomposite aus Zirconiumoxid oder/oder Titandioxid und Polymer-Matrixmaterial weisen den Nachteil auf, dass diese lediglich als Dünnfilmmaterialien aufgebracht werden können und damit nicht als Linse ausgeformt werden können. Bisher untersuchte organisch beladene Zirconiumoxidnanopartikel vergilben ferner unter Blaulicht und Temperaturtests an sich oder auch in einem Matrixmaterial, beispielsweise aus Silikon. Im Falle von InGaAlP/GaAs reicht die photonische Energie der zu treffenden Wellenlängen von > 600 nm nicht aus, um Bindungen von typischen Matrixmaterialien, insbesondere thermooxidierte Spezies, davon zu spalten.
Die Druckschrift US 2014/0191265 A1 betrifft Licht emittierende Bauelemente mit verbesserter Lichtextraktionseffizienz. In der Druckschrift DE 10 2007 009 530 A1 wird eine OLED mit Farbkonversion beschrieben. Die Druckschrift WO 2017/007770 A2 beschreibt Maßnahmen zur Integration von Quantenpunkten. Die Druckschrift Zhang, Zhao-Chun et al., Particle & Particle Systems Characterization, Vol. 26, 2009, No. 1-2, p. 53-57 zeigt Diamant und oxidierten und ungeordneten Graphit an der Oberfläche von Galliumphosphid Nanoparikeln. In der Druckschrift DE 10 2005 032 038 A1 wird die Entwicklung einer ortsspezifischen, chemoselektiven und gerichteten photochemischen Mikrostrukturierungstechnik für bio- und materalwissenschafliche Anwendungen beschrieben. Die Druckschrift Gindele et. al., Applied Physics Letters, 1997, 71, 15, 2181-2183 beschreibt eine optische Verstärkung und hohe Quanteneffizienz von matrixfreien, dichtgepackten CdSe-Quantenpunkten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das effizient und einfach ein effizientes Auskoppelelement erzeugt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Auskoppelelement für ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für 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 Auskoppelelement gemäß dem Anspruch 15 gelöst.
Das Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement weist die Schritte auf:

A) Bereitstellen von Quantenpunkten mit jeweils einem Kern, der ein Halbleitermaterial aufweist,
B) Erzeugen einer Suspension, die die Quantenpunkte in einem Suspensionsmittel aufweist,
C) direktes Aufbringen der Suspension auf einer Oberfläche des optoelektronischen Bauelements und/oder auf einer Oberfläche eines Trägers, und
D) Entfernen des Suspensionsmittels zur Erzeugung des Auskoppelelements, das matrixfrei ist und transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich ist.

Es wird auch beschrieben, dass Schritt D) optional ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt A) auf, Bereitstellen von Quantenpunkten. Die Quantenpunkte weisen jeweils einen Kern aus einem Halbleitermaterial auf. Das Halbleitermaterial kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Galliumarsenid (GaAs) und Indiumgalliumaluminiumphosphid (InGaAlP) umfasst. Vorzugsweise ist das Halbleitermaterial Galliumphosphid oder Indiumphosphid, besonders bevorzugt Galliumphosphid. Die Quantenpunkte sind insbesondere transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Wellenlängenbereich. Galliumphosphid weist beispielsweise bei Wellenlängen > 500 nm eine Transparenz mit einem Absorptionskoeffizient k = 0 auf. Indiumphosphid weist bei einer Wellenlänge von 850 nm einen Absorptionskoeffizienten k = 0,15 und bei 953,7 nm einen Absorptionskoeffizienten k = 0 auf. Indiumphosphidnanopartikel sind leichter zugänglich als Galliumphosphidnanopartikel. Indiumphosphidquantenpunkte wären daher limitiert für den Einsatz von IR-Dioden mit einer Wellenlänge von 950 nm.
Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, eine signifikante Erhöhung der Brechzahl durch Verwendung beispielsweise von Galliumphosphid mit einem Brechungsindex von 3,314 bei 633 nm oder Indiumphosphid mit einem Brechungsindex von 3,536 bei 633 nm in einem Auskoppelelement zu erreichen.
Bevorzugt handelt es sich bei den Quantenpunkten um Nanopartikel, das heißt Teilchen mit einer Größe im Nanometerbereich mit einem Partikeldurchmesser d₅₀ zum Beispiel zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 1000 nm. Idealerweise sollte der Partikeldurchmesser zirka 1/10 der Wellenlänge, also bei beispielsweise 600 nm, einen Partikeldurchmesser von in etwa 60 nm nicht überschreiten, so dass die Nanopartikel möglichst keinen negativen Einfluss auf die Transparenz des Gesamtsystems Nanokomposit haben. Die Quantenpunkte umfassen einen Kern, also einen Halbleiterkern, der wellenlängenkonvertierende Eigenschaften im entsprechenden Wellenlängenbereich aufweisen kann. Bei Wellenlängen beispielsweise von > 500 nm, also beispielsweise im roten oder IR-Wellenlängenbereich, weist der Kern keinen signifikanten Einfluss auf die Transparenz des Auskoppelelements auf. Transparent meint hier und im Folgenden eine Transmission von größer 90 oder 95 % zumindest für die von einem Halbleiterchip emittierte Strahlung.
Der Halbleiterkern oder der Kern kann von einer oder mehreren Schichten als Beschichtung ummantelt sein. Diese Beschichtung kann anorganisch oder organisch sein.
Der Halbleiterkern kann ein einkristallines oder polykristallines Agglomerat sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenpunkte einen durchschnittlichen Durchmesser von 3 nm bis 10 nm, besonders bevorzugt von 3 nm bis 5 nm, auf. Die Quantenpunkte können kugelförmig oder stäbchenförmig ausgeformt sein. Die Werte meinen hier insbesondere den durchschnittlichen Durchmesser des Kerns, also ohne Beschichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt B) auf: Erzeugen einer Suspension. Die Suspension umfasst Quantenpunkte und zumindest ein Suspensionsmittel. Vorzugsweise besteht die Suspension aus Qantenpunkten und einem Suspensionsmittel oder einer Mischung von zumindest zwei Suspensionsmitteln. Die Quantenpunkte liegen insbesondere in der Suspension hoch konzentriert vor.
Damit ist gemeint, dass der Anteil der Quantenpunkte in der Suspension zwischen 10E-6 bis 0,05 mol/l ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Suspension ein Amid als Suspensionsmittel auf. Vorzugsweise ist das Amid ein n,n-Dimethylformamid (DMF). Insbesondere wird DMF in der Suspension für reine und trockene Gallium- oder IndiumPhosphid-Partikel verwendet. Damit kann eine sehr dünne Schicht durch Verdampfung (Evaporation), beispielsweise bei 160 °C, für optische Anwendungen erzeugt werden.
Suspension meint hier insbesondere ein heterogenes Stoffgemisch aus dem Suspensionsmittel und darin fein verteilten Partikeln, den Quantenpunkten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Halbleitermaterial Galliumphosphid (GaP). Galliumphosphid kann aus Galliumhalogenid und einem Alkaliphosphid erzeugt werden. Insbesondere wird als Galliumhalogenid ein Galliumchlorid verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird als Alkaliphosphid ein Natriumphosphid verwendet.
Dabei kann beispielsweise kommerzielles Galliumchlorid mit Natriumphosphid im gleichen Verhältnis vermischt werden. Als Suspensionsmittel kann Benzol verwendet werden. Das Gemisch kann unter Argonrückfluss bei 75 °C für zwei Stunden gekocht werden. Es resultieren Galliumphosphid und Natriumchlorid. Das Galliumphosphid kann getrocknet werden und unter Argon gelagert werden. Das Natriumchlorid kann mittels Wasser extrahiert werden.
Ähnlich kann auch Indiumphosphid erzeugt werden. Dazu können Indiumchlorid und Natriumphosphid im gleichen Verhältnis 1:1 in Xylen unter Argonrückfluss bei 90° zu Indiumphosphid und Natriumchlorid reagiert werden. Das Indiumphosphid kann getrocknet werden und unter Argon gelagert werden. Das Natriumchlorid kann wiederum mittels Wasser extrahiert werden.
Die Herstellung von Galliumphosphid und Indiumphosphid ist einem Fachmann bekannt und kann beispielsweise den Druckschriften Science in China Series A: Mathematics, Mai 2002, Vol. 45, Issue 5, Seiten 661 - 665; Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2000, 40, Seiten 145 - 151; Z. Zhang, B. Wang, Part. Part. Syst. Char. 26, 2009, Seite 53 oder Solid State Sciences 12, 2010, Seiten 1188-1191, „Fabrication and optical properties of gallium phosphide nanoparticulate thin film“ entnommen werden. Deren Offenbarungsgehalt für die Herstellung der Suspensionen wird hiermit durch Rückbezug aufgenommen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt C) auf: direktes Aufbringen der Suspension auf eine Oberfläche des optoelektronischen Bauelements. Alternativ oder zusätzlich kann die Suspension auch direkt auf eine Oberfläche eines Trägers aufgebracht werden. Direkt meint hier, dass die Suspension unmittelbar auf die Oberfläche des Bauelements und/oder Trägers aufgebracht wird. Mit anderen Worten ist eine zusätzliche Klebeschicht zwischen der Oberfläche des Bauelements und/oder Trägers und dem späteren Auskoppelelement nicht erforderlich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements eine Oberfläche eines Konversionselements. Konversionselemente weisen Leuchtstoffe auf, die beispielsweise die von einem Halbleiterchip emittierte Strahlung in eine Strahlung mit veränderter, meist längerer Wellenlänge umwandelt. Alternativ oder zusätzlich ist die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements die Oberfläche einer Halbleiterschichtenfolge eines Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement eine oder mehrere Halbleiterschichtenfolgen auf. 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, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. 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.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine oder mehrere aktive Schichten. Die mindestens eine aktive Schicht ist zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Beispielsweise beinhaltet die aktive Schicht wenigstens einen pn-Übergang oder mindestens eine Quantentopfstruktur. Insbesondere wird in der aktiven Schicht ultraviolette, sichtbare und/oder nahinfrarote Strahlung im Betrieb des Halbleiterbauteils erzeugt. Die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung weist eine Hauptwellenlänge auf. Die Hauptwellenlänge, englisch peak wavelength, ist diejenige Wellenlänge, bei der im bestimmungsgemäßen Betrieb die größte Strahlungsintensität erzeugt wird.
Gemäß zumindest ist das optoelektronische Bauelement eine Leuchtdiode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt vor Schritt C) ein zusätzlicher Schritt B1) Zentrifugieren der in Schritt B) erzeugten Suspension. Damit können Quantenpunkte unterschiedlicher Größe separiert werden. Insbesondere werden Aggregate oder Agglomerate mit einem Durchmesser von > 500 nm oder auch > 100 nm abgetrennt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Suspension direkt auf die Oberfläche eines Trägers aufgebracht. Als Träger kann hier beispielsweise ein Epitaxiesubstrat (Wafer) dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt D) auf: Entfernen des Suspensionsmittels zur Erzeugung des Auskoppelelements. Das Auskoppelelement ist insbesondere matrixfrei. Damit ist hier und im Folgenden gemeint, dass die Quantenpunkte in keinem Matrixmaterial, wie beispielsweise Silikon oder Epoxy, eingebettet sind. Vorzugsweise besteht das Auskoppelelement ausschließlich aus den Quantenpunkten. Bestehen meint hier, dass das Auskoppelelement ausschließlich aus den Quantenpunkten geformt ist und gegebenenfalls geringe Menge an Verunreinigungen, insbesondere im ppm-Bereich, aufweist. Das Entfernen des Suspensionsmittels kann beispielsweise durch Verdampfung mittels Druck und/oder Hitze erfolgen.
Zusätzlich ist das Auskoppelelement transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich. Strahlung aus dem roten Bereich meint hier und im Folgenden eine Wellenlänge von zirka 600 nm bis 780 nm, beispielsweise eine Wellenlänge von 660 nm oder 730 nm. Darüber hinaus sind die GalliumphosphidNanopartikel aufgrund ihrer Absorption beziehungsweise Transparenz auch stufenlos einsetzbar für beispielsweise Grün (zirka 540 nm) und/oder Gelb (zirka 590 nm) beziehungsweise alle relevanten Farbnuancen. Strahlung aus dem IR-Bereich meint hier und im Folgenden eine Wellenlänge von 750 nm bis 2000 nm, insbesondere zwischen 800 nm bis 950 nm.
Das Auskoppelelement ist als Linse ausgeformt. Es wird beschrieben, dass alternativ oder zusätzlich das Auskoppelelement als Schicht ausgeformt ist. Die Schicht des Auskoppelelements weist vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 1 mm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt Schritt C) mittels Spin-Coating, Spray-Coatings und/oder nasschemischer Abscheidung.
Die Suspension wird direkt auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht. Anschließend wird das Suspensionsmittel entfernt, sodass das Auskoppelelement direkt auf der Oberfläche des Trägers erzeugt wird. Es wird eine weitere Suspension, aufweisend Quantenpunkte, als Schicht auf die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements erzeugt, wobei anschließend der Träger von dem Auskoppelelement entfernt wird und das Auskoppelelement auf die Schicht aus Quantenpunkten aufgebracht wird. Die weitere Suspension kann die gleichen Merkmale wie die Suspension aufweisen. Vorzugsweise weisen die Suspension und die weitere Suspension gleiche Quantenpunkte auf. Alternativ können auch unterschiedliche Quantenpunkte in der Suspension und der weiteren Suspension vorhanden sein. Das Suspensionsmittel in der Suspension oder in der weiteren Suspension kann gleich oder verschieden sein. Die Schicht, welche auf die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements aufgebracht wird, kann eine Schichtdicke von 10 bis 100 µm aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberfläche des Trägers antihaftbeschichtet. Dies ist von Vorteil, denn dadurch kann das Auskoppelelement leicht von dem Träger entfernt werden. Alternativ oder zusätzlich ist die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements antihaftbeschichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt Schritt D) mittels Ausheizen. Beispielsweise wird der Träger und/oder das Bauelement thermisch ausgeheizt. Der Träger kann beispielsweise ein Saphirwafer oder ein Siliziumwafer sein. Das Ausheizen kann mittels eines externen Heizers erfolgen, der eine Temperatur von < 200 °C generieren kann. Dadurch kann ein ausgehärtetes Auskoppelelement als Dünnschicht oder als Linse erzeugt werden. Das Suspensionsmittel kann verdampft werden, beispielsweise wenn die Suspension auf die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements aufgebracht wird. Das Suspensionsmittel kann mittels eines Heizers entfernt werden, um das Auskoppelelement zu erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Auskoppelelement kleberfrei auf die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich wird das Auskoppelelement kleberfrei auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch die Verwendung eines hier beschriebenen Auskoppelelements ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt werden kann, das eine erhöhte Auskopplung, beispielsweise aus der Halbleiterschichtenfolge und/oder aus dem Konversionselement, aufweist. Dabei ist das Auskoppelelement matrixfrei geformt, weist also vorzugsweise ausschließlich die Quantenpunkte auf. Das Auskoppelelement ist hochbrechend und kann leicht auf eine Oberfläche eines optoelektronischen Bauelements, insbesondere einer Leuchtdiode, appliziert werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Auskoppelelement für ein optoelektronisches Bauelement. Vorzugsweise wird das Auskoppelelement mit einem hier beschriebenen Verfahren erzeugt. Dabei gelten alle bisher gemachten Ausführungen und Definitionen für das Verfahren auch für das Auskoppelelement und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Auskoppelelement lediglich Quantenpunkte auf. Das Auskoppelelement besteht also aus Quantenpunkten und ist matrixfrei. Das Auskoppelelement ist transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement die Schritte auf:

A) Bereitstellen von Quantenpunkten mit jeweils einem Kern, der ein Halbleitermaterial aufweist,
B) Erzeugen einer Suspension, die die Quantenpunkte in einem Suspensionsmittel aufweist,
C) direktes Anordnen der Suspension zwischen einer Oberfläche des optoelektronischen Bauelements und einer Oberfläche eines Trägers zur Erzeugung des Auskoppelelements. Das Auskoppelelement kann matrixfrei sein, weist Quantenpunkte und ein Suspensionsmittel auf, und ist transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich ist

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1A und 1B jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements gemäß einer Ausführungsform,
2A bis 2C und 4A bis 4C zeigen jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform und die 5A bis 5C zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements für ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem Vergleichsbeispiel, und
3A, 3B und 3C zeigen jeweils ein optoelektronisches Bauelement 100 mit einem Auskoppelelement gemäß einem Vergleichsbeispiel, die 3D und 3E jeweils ein optoelektronisches Bauelement mit einem Auskoppelelement gemäß einer Ausführungsform.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige und 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.
Die 1A zeigt eine mögliche Synthese zur Herstellung eines Auskoppelelements gemäß einer Ausführungsform. Es kann beispielsweise Galliumchlorid, das käuflich erwerblich ist, im gleichen Verhältnis mit Natriumphosphid bei 75 °C für zwei Stunden in Benzol unter Argonrückfluss gekocht werden, bis Galliumphosphid und Natriumchlorid erzeugt werden. Das Galliumphosphid kann getrocknet werden und unter Argon gelagert werden. Natriumchlorid kann mittels Wasser extrahiert werden. Entsprechend kann, wie in 1B gezeigt, auch Indiumphosphid aus Indiumchlorid und Natriumphosphid hergestellt werden. Alternativ können auch andere Gallium- oder Indiumhalogenide zur Herstellung von Gallium- oder Indiumphosphid verwendet werden.
Alternativ können auch andere Alkaliphosphide zur Herstellung von Gallium- beziehungsweise Indiumphosphid verwendet werden. Indiumphosphid wird bei höheren Temperaturen von beispielsweise 90 °C in Xylen unter Argonrückfluss gekocht.
Als Suspensionsmittel kann alternativ statt Benzol oder Xylen auch Dimethylformamid (DMF) verwendet werden. Das Suspensionsmittel kann anschließend verdampft werden, beispielsweise bei 160 °C und damit ein optisches Element, also ein Auskoppelelement, erzeugt werden.
Die 2A bis 2C zeigen die Herstellung eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Hier wird das Auskoppelelement 1 als Linse ausgeformt. In 2A ist ein Träger 6 gezeigt, der vorzugsweise U-förmig geformt ist, um eine konvexe Linse zu erzeugen. Auf den Träger kann eine möglichst aufkonzentrierte Quantenpunktsuspension, beispielsweise aus Galliumphosphid, in DMF als Suspensionsmittel aufgebracht werden.
Anschließend kann das Suspensionsmittel durch Verdampfung und anschließender Trocknung entfernt werden, beispielsweise bei < 200 °C. Es resultiert ein Auskoppelelement 1, das vorzugsweise aus den Quantenpunkten besteht, matrixfrei ist und transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich ist (2B).
Die 2C zeigt das Aufbringen des Auskoppelelements 1 auf einer Schicht 7, die ebenfalls Quantenpunkte, beispielsweise aus Galliumphosphid, aufweist. Die dünne Schicht 7 wurde ebenfalls mittels einer weiteren Suspension aus Quantenpunkten und Suspensionsmittel und anschließendem Entfernen des Suspensionsmittels und Trocknen erzeugt. Die Schicht 7 kann beispielsweise auf einem Substrat 12 eines optoelektronischen Bauelements 100 und/oder auf einer Halbleiterschichtenfolge 9 aufgebracht sein. Anschließend kann das Auskoppelelement 1 auf die weitere Suspension 7 oder die Schicht 7 aufgebracht werden. Damit kann das Auskoppelelement 1 kleberfrei, also beispielsweise frei von Silikon oder Epoxy, auf die Oberflächen 1001 eines optoelektronischen Bauelements 100 aufgebracht werden. Das Aufbringen des Auskoppelelements 1, hier als Linse ausgeformt, ist quasi lösungsmittelfrei und kann gemeinsam mit der weiteren Suspension oder Schicht 7 verbacken werden.
Das Verbacken kann beispielsweise durch Aufheizen erfolgen. Die Schicht 7 kann vor dem Aufbringen des Auskoppelelements 1 erzeugt werden. Alternativ kann die Schicht 7 nach Aufbringen des Auskoppelelements 1 erzeugt wird. Dazu wird das Auskoppelelement 1 auf die weitere Suspension 7 aufgebracht und anschließend erfolgt das Entfernen des Suspensionsmittels aus der weiteren Suspension 7 zur Erzeugung der Schicht 7.
Die 4A bis 4C zeigen die Herstellung eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren der 4A bis 4C unterscheidet sich von dem Verfahren der 2A bis 2C dadurch, dass die Linse 1 zusammen mit dem Träger 6 auf die Schicht 7 aufgebracht wird. Anschließend kann der Träger 6 wieder entfernt werden. Es wird also zuerst die dünne Schicht 7, beispielsweise eine GaP-Suspension, auf das Substrat 12 und die Halbleiterschichtenfolge 9 applziert. Anschließend kann das quasi lösungsmittelfreie Auskoppelelement 1 aufgesetzt und gemeinsam mit der Schicht 7 durch einen Heizschritt verbacken werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Träger 6, der eine Hohllinse sein kann, nur zur Formgebung verwendet. Eine relativ große Lichtstreuung an der Linse aus GaP-Nanopartikel ist zu erwarten.
Alternantiv zu den Verfahren der 2A bis 2C beziehungsweise 4A bis 4C kann der Träger 6, beispielsweise eine Hohllinse, final auf dem Bauelement 100 verbleiben, um die Quantenpunkte 2, insbesondere InP- oder GaP-Nanopartikel, und das nötige Suspensionsmittel 5, insbeondere Xylol oder DMF, einzuschließen. Eine gewisse Menge an Suspensionsmittel 5 ist insbesondere nötig, damit die Quantenpunkte 2 nicht agglomerieren und aus der Lösung ausfallen (5A bis 5C). Wie in 5B gezeigt, werden der Träger 6 und das Substrat 12 zusammengefügt, beispielsweise geklebt. Wie in 5C gezeigt, ist die Suspension 4 zwischen Träger 6 und Substrat 12 hermetisch eingeschlossen. Die Suspension 4 wurde insbesondere aufkonzentriert oder eingedampft. Die Suspension weist Quantenpunkte 2, insbesondere GaP oder InP, und ein Suspensionsmittel 5, wie Xylol oder DMF, auf.
Die 3A, 3B und 3C zeigen jeweils ein optoelektronisches Bauelement 100 mit einem Auskoppelelement 1 gemäß einem Vergleichsbeispiel, die 3D und 3E zeigen jeweils ein optoelektronisches Bauelement 100 mit einem Auskoppelelement 1 gemäß einer Ausführungsform.
Das optoelektronische Bauelement 100 der 3A weist eine Halbleiterschichtenfolge 9 auf, die in einer Ausnehmung 8 eines Gehäuses 10 angeordnet ist. Die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 9 kann zumindest teilweise (hier nicht gezeigt) oder vollständig von dem Auskoppelelement 1 stoff- und/oder formschlüssig umgeben sein. Damit kann die Auskoppeleffizienz die von der Halbleiterschichtenfolge 9 emittierte Strahlung erhöht werden.
Die 3B zeigt eine Halbleiterschichtenfolge 9, der ein Konversionselement 11 nachgeordnet ist. Dem Konversionselement 11 ist das Auskoppelelement 1 nachgeordnet. Das Auskoppelelement 1 ist hier als Schicht ausgeformt. Das Auskoppelelement 1 kann beispielsweise eine Schichtdicke von 1 bis 50 µm ausweisen.
Die 3C unterscheidet sich von 3B dadurch, dass das Auskoppelelement 1 hier als Linse ausgeformt wird und direkt auf das Konversionselement 11 appliziert wird.
Die 3D zeigt ein Substrat 12, beispielsweise eine Leiterplatte oder Wafer, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge 9 aufgebracht ist. Vorzugsweise ist ausschließlich die Strahlungsaustrittsfläche 91 mit einer Hauptemissionsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 9 mit dem Auskoppelelement 1 bedeckt. Die Seitenflächen 92 der Halbleiterschichtenfolge 9 sind also frei von dem Auskoppelelement 1. Die Hauptemissionsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 9 liegt bevorzugt parallel zu der Wachstumsrichtung.
Die 3E zeigt ein Substrat 12, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 9 aufgebracht ist. Im Unterschied zur 3D weist das optoelektronische Bauelement 100 der 3E das Auskoppelelement 1 auf, das sowohl die Strahlungsaustrittsfläche als auch die Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 9 vollständig bedeckt. Damit kann sowohl die Auskopplung über die Hauptstrahlungsaustrittsfläche 91 als auch über die Seitenflächen 92 erhöht werden.
Bezugszeichenliste

100: optoelektronisches Bauelement
1001: Oberfläche des optoelektronischen Bauelements
1: Auskoppelelement
2: Quantenpunkte
3: Kern der Quantenpunkte
4: Suspension
5: Suspensionsmittel
6: Träger
61: Oberfläche des Trägers
7: (weitere) Suspension oder (weitere) Schicht
8: Ausnehmung
9: Halbleiterschichtenfolge der Halbleiterschichtenfolge
91: Strahlungsaustrittsfläche
92: Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge
10: Gehäuse
11: Konversionselement
12: Substrat

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Auskoppelelements (1) für ein optoelektronisches Bauelement (100) mit den Schritten: A) Bereitstellen von Quantenpunkten (2) mit jeweils einem Kern (3), der ein Halbleitermaterial aufweist, B) Erzeugen einer Suspension (4), die die Quantenpunkte (2) in einem Suspensionsmittel (5) aufweist, C) direktes Aufbringen der Suspension (4) auf eine Oberfläche (1001) des optoelektronischen Bauelements (100) und/oder auf eine Oberfläche (61) eines Trägers (6), und D) Entfernen des Suspensionsmittels (5) zur Erzeugung des Auskoppelelements (1), das matrixfrei ist und transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich ist, wobei das Auskoppelelement (1) als Linse ausgeformt wird, wobei die Suspension (4) direkt auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird, und anschließend das Suspensionsmittel (5) entfernt wird, so dass das Auskoppelelement (1) direkt auf der Oberfläche (61) des Trägers (6) erzeugt wird, wobei eine weitere Suspension (7) aufweisend Quantenpunkte (2) als Schicht auf die Oberfläche (1001) des optoelektronischen Bauelements (100) erzeugt wird, wobei anschließend der Träger (6) von dem Auskoppelelement (1) entfernt wird und das Auskoppelelement (1) auf die Schicht aus Quantenpunkten (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial aus einer Gruppe ausgewählt ist, die GaP, InP, GaAs und InGaAlP umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auskoppelelement (1) aus den Quantenpunkten (2) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial GaP oder InP ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (1001) des optoelektronischen Bauelements (100) eine Oberfläche eines Konversionselements oder einer Halbleiterschichtenfolge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (61) des Trägers (6) antihaftbeschichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auskoppelelement (1) kleberfrei auf die Oberfläche (1001) des optoelektronischen Bauelements (100) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auskoppelelement (1) kleberfrei auf die Oberfläche (61) des Trägers (6) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial GaP ist und aus Galliumhalogenid und einem Alkaliphosphid erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Galliumhalogenid ein Galliumchlorid ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Alkaliphosphid ein Natriumphosphid ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt C) mittels Spin-Coating, Spray-Coating oder nasschemischer Abscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Suspension (4) ein Amid als Suspensionsmittel (5) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Suspensionsmittel (5) N,N-Dimethylformamid ist.
Auskoppelelement (1) für ein optoelektronisches Bauelement (100), das nach einem der Ansprüche 1 bis 14 erzeugt ist, wobei das Auskoppelelement lediglich Quantenpunkte aufweist und matrixfrei ist, transparent für Strahlung aus dem roten und/oder IR-Bereich ist, und wobei das Auskoppelelement als Linse ausgeformt ist.