DE102017104127A1

DE102017104127A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102017104127A1
Application number: DE102017104127.3A
Authority: DE
Inventors: David O'Brien; Norwin von Malm; Jörg Frischeisen; Angela Eberhardt; Florian Peskoller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US20200006602A1; US11011683B2; WO2018158161A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) in Betrieb Strahlung emittiert, ein Konversionselement (2), das der Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) direkt nachgeordnet ist, wobei das Konversionselement (2) substratfrei ist und eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste Schicht (22) zumindest ein Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einem Matrixmaterial (221) eingebettet ist, wobei das Matrixmaterial (221) zumindest ein kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, Metalloxid, Metallsilikate, Metallsulphate, Wolframate, wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
Optoelektronische Bauelemente, wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), weisen in der Regel ein Konversionselement auf, um die von einer Halbleiterschichtenfolge des Bauelements emittierte Strahlung vorzugsweise aus dem blauen Spektralbereich in weißes Mischlicht zu verwandeln. Diese Konverterelemente weisen typisch Silikon- und mindestens ein Konversionsmaterial auf. Das Silikon wird als Matrixmaterial verwendet. Silikon zeigt allerdings den Nachteil, dass es bei Einstrahlung der Strahlung aus dem blauen Spektralbereich vergilben kann. Zudem weist es geringe thermische mechanische Eigenschaften auf, die zur Degradation des Matrixmaterials führen können. Das Silikon als Matrixmaterial ist daher der limitierende Faktor für den Betrieb eines optoelektronsichen Bauelements, insbesondere für dessen Lebensdauer.
Andere anorganische Konverter, wie zum Beispiel ein Keramikkonverter oder ein Leuchtstoff-in-Glas-Konverter, werden in der Regel mittels eines Klebers auf der Halbleiterschichtenfolge befestigt. Vorzugsweise wird Silikon als Kleber verwendet, das aber auch in dieser Funktion die beschriebenen lebensdauerbegrenzenden Nachteile aufweist. Die geringe thermische Leitfähigkeit und hohe Permeabilität des Silikons begrenzen ferner die Betriebsparameter eines optoelektronischen Bauelements. Die Haftung von Silikon auf den verschiedenen zu verbindenden Materialien kann schlecht sein und so zur Delamination des Konverterelements während der Herstellung führen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein verbessertes optoelektronisches Bauelement anzugeben. Insbesondere soll das optoelektronische Bauelement stabil gegenüber hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und Strahlung sein. Das optoelektronisches Bauelement soll bei höheren Leistungen betreibbar sein und in einer ähnlichen Farbortvielfalt und einem hohen Farbwiedergabeindex (CRI) wie mit einer Silikonmatrix herstellbar sein. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserten Eigenschaften herstellt.
Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung und/oder Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 18.
In zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich ist zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche dazu eingerichtet, in Betrieb Strahlung zu emittieren. Das Bauelement weist ein Konversionselement auf, das die emittierte Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt. Das Konversionselement ist direkt und insbesondere ohne zusätzliche Kleberschicht auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet, also der Hauptstrahlungsaustrittsfläche direkt nachgeordnet. Das Konversionselement ist substratfrei. Das Konversionselement weist eine erste Schicht auf. Die erste Schicht weist ein Konversionsmaterial auf, das in einem Matrixmaterial eingebettet ist. Das Matrixmaterial weist zumindest ein kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material auf. Das Sol-Gel Material ist aus folgender Gruppe ausgewählt: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, Metalloxid, Metallsilikate, Metallsulphate, Wolframate. Insbesondere ist das Sol-Gel-Material: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat und/oder Monoaluminiumphosphat. Das kondensierte Sol-Gel Material weist einen Anteil zwischen 10 Vol% und 70 Vol% in der ersten Schicht auf. Der Anteil des kondensierten Sol-Gel Materials ist auf das Gesamtvolumen aus Sol-Gel-Material und Konversionsmaterial und gegebenenfalls Härter, Füller, oder andere feste Zusätze, aber ohne gegebenenfalls entstehende Poren, bezogen.
Sol-Gel-Materialien werden hier und im Folgenden als diejenigen Materialien bezeichnet, die mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt sind. Der Sol-Gel-Prozess ist ein Verfahren zur Herstellung von anorganischen oder hybridpolymeren Materialien aus Kolloidaldispersionen, den so genannten Solen. Die Ausgangsmaterialien werden auch als Precursormaterialien bezeichnet. Aus ihnen entstehen in Lösung in einer ersten Grundreaktion feinste Teilchen. Durch die spezielle Weiterverarbeitung der Sole lassen sich Pulver, Fasern, Schichten oder Aerogele erzeugen. Dabei ist der wesentliche Grundprozess des Sol-Gel-Prozesses die Hydrolyse der Precursormaterialien und die Kondensation zwischen den dabei entstehenden reaktiven Spezies. Der Sol-Gel-Prozess ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Als Sol-Gel Material ist im Prinzip jedes Metalloxid denkbar, bevorzugt jedoch Zink-, Zinn-, Aluminium-, Titan-, Hafnium-, Zirkonium-, Gallium-, Yttrium- und/oder Siliziumoxid denkbar, das über den Sol-Gel-Prozess hergestellt werden kann. Am bekannntesten ist die Erzeugung von Siliziumdioxid beispielsweise als Schicht über den Sol-Gel-Prozess. Das Sol kann in einem Lösungsmittel, wie Wasser, einem primären oder sekundären Alkohol, wie Ethanol oder Isopropanol, oder anderen polaren organischen Lösungsmitteln eingebettet sein. Es kann auch eine Mischung der hier beschriebenen Sol-Gel Materialien verwendet werden. Vorzugsweise wird das Sol-Gel Material bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 350 °C, insbesondere kleiner oder gleich 300 °C oder vorzugsweise kleiner oder gleich 150 °C ausgeheizt, um zum Beispiel die Halbleiterschichtenfolge bei der Aushärtung des Sol-Gel Materials thermisch nicht zu schädigen.
Beispielsweise können anorganische Sol-Gel Materialien wie bestimmte Aluminiumphosphate, modifiziertes Monoaluminiumphosphat (MALP) oder Monoaluminiumphosphat bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 350 °C, insbesondere kleiner 350 °C, vorzugsweise kleiner oder gleich 300 °C oder Kalium-Wasserglas (KWG) bei kleiner oder gleich 350 °C, insbesondere kleiner oder gleich 300 °C, insbesondere kleiner oder gleich 150 °C oder vorzugsweise kleiner 150 °C ausgehärtet werden. Natrium- (NaWG) oder Lithium-Wasserglas (LiWG) oder eine Mischung aus mehreren Wassergläsern können ebenfalls bei diesen Temperaturen ausgehärtet werden. Um eine gute chemische Resistenz, wie eine gute Feuchtestabilität bei Temperaturen von beispielsweise 85 °C, 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit und 1000 Stunden zu erreichen, sollten diese oben beschriebenen Materialien bei derartigen Temperaturen ausgehärtet werden. Optional können den Matrixmaterialien, insbesondere den Wassergläsern, auch chemische Härter zugesetzt sein, um die Feuchtestabilität zu erhöhen.
Die Erfinder haben erkannt, dass gerade die Verwendung des oben beschriebenen Konversionselements mit dem anorganischen Matrixmaterial, das aus einem anorganischen Sol-Gel hergestellt wurde, zu Bauelementen mit vorteilhaften Eigenschaften führt. Eine Matrix aus organikhaltigen Sol-Gelen ist zwar auch denkbar, jedoch nicht bevorzugt, da diese normalerweise höhere Härtungstemperaturen benötigen, in der Regel >400 °C, um vollständig abzureagieren und dadurch chemisch stabil zu werden. Da bei diesen Temperaturen beispielsweise die Halbleiterschichtenfolge thermisch schon geschädigt werden kann, wird das Sol-Gel vorzugsweise bei niedrigeren Härtungstemperaturen gehärtet, jedoch sind die Matrizen aus organikhaltigen Sol-Gelen dann chemisch nicht stabil genug.
Ein besonderer Vorteil der anorganischen Matrix ist, dass die Bauelemente in einem Verbund auf einem Epitaxiesubstrat (Wafer) erzeugt und anschließend vereinzelt werden können.
Dies ist dadurch gegeben, dass die Konversionsschicht zum Einen direkt auf dem Wafer appliziert und gehärtet werden kann und zum Anderen, dass durch die anorganische Matrix ein Vereinzeln durch beispielsweise Sägen mit guter Schnittkantenqualität möglich ist. Letzteres ist mit Silikon nicht möglich, da dieses zu weich ist, wodurch sich für die anorganische Matrix der weitere Vorteil eines kostengünstigeren Herstellprozesses ergibt.
Bisher sind zudem nur anorganische Konverter, wie Keramikkonverter oder substrathaltige anorganische Konverterelemente bekannt. Diese herkömmlichen Konversionselemente werden während der Herstellung einzeln auf die jeweilige Halbleiterschichtenfolge des Bauelements mittels eines Klebers aufgebracht. Als Kleber ist beispielsweise Silikon notwendig, was zu den oben beschriebenen Nachteilen führt. Die Erfinder sind der Auffassung, dass gegenwärtig keine Bauelemente bekannt sind, die ausschließlich aus anorganischen Materialien bestehen und damit eine gute thermomechanische Stabilität aufweisen. Gleichzeitig kann das Bauelement kostengünstiger auf Waferlevel hergestellt werden und es kann bei höheren Leistungen betrieben werden verglichen mit einem Bauelement mit Silikonmatrix, wobei eine ähnliche Farbortvielfalt und ein hoher Farbwiedergabeindex (CRI) wie mit einer Silikonmatrix möglich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche ohne einen Kleber direkt angeordnet. Mit anderen Worten haftet das Konversionselement ohne einen Kleber auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement frei von einem organischen Material. Vorzugsweise ist das optoelektronische Bauelement frei von einem organischen Material zumindest in Abstrahlrichtung, d.h. es befindet sich kein organisches Material über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche. Es kann allerdings organisches Material als Gehäusematerial und/oder als Vergussmaterial, beispielsweise gefüllt mit TiO2, um die Halbleiterschichtenfolge bzw. um die Kanten des Konversionselements verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement frei von einem organischen Kleber wie beispielsweise Silikon oder Epoxy.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge Teil eines Flip Chips. Flip Chip meint hier, dass das Bauelement unmittelbar auf einem Träger oder der Leiterplatte bondiert wird. Dies ist dem Fachmann beispielsweise aus der DE 10 2015 101 143 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Flip Chip einen Saphir-Träger auf. Alternativ ist der Flip Chip Teil eines Chip Scale Packages (CSP).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge 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 einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge auf Galliumnitrid und weist zumindest eine n-dotierte Halbleiterschicht, zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht und eine aktive Schicht auf. Vorzusweise erstreckt sich zumindest eine Durchkontaktierung zumindest bereichsweise über die n-dotierte Halbleiterschicht, die p-dotierte Halbleiterschicht und die aktive Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge eine anorganische Schicht auf. Die anorganische Schicht weist Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ITO (Indiumzinnoxid) oder Aluminiumoxid auf. Die anorganische Schicht bildet zumindest teilweise die Hauptstrahlungsaustrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein kondensiertes Monoaluminiumphosphat oder ein kondensiertes modifiziertes Monoaluminiumphosphat oder ein kondensiertes Aluminiumphosphat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein kondensiertes Wasserglas. Als Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte, glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und/oder Lithiumsilikate oder ihre wässrigen Lösungen bezeichnet. Damit unterscheidet sich Wasserglas von einem herkömmlichen Glas insbesondere durch seine Eigenschaften, wie die Porosität.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial zumindest Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder eine Mischung daraus, wobei das Konversionselement einen chemischen Härter aufweist. Durch Zugabe eines chemischen Härters und Aushärten des Matrixmaterials, beispielsweise zwischen einer Temperatur von 150 bis 350 °C für Wasserglas, ist es möglich, ein Konversionselement zu erzeugen, das sehr stabil gegen Feuchtigkeit ist. Insbesondere zeigt dieses Konversionselement eine hohe Stabilität bei 85 °C, 85 % relativer Luftfeuchtigkeit und 1000 Stunden für die Testdauer, was mittels eines Feuchtetests bestimmt wurde. Durch Zugabe des Härters bildet sich neben ggf. entstehendem Alkalicarbonat ein weiteres Nebenprodukt. Im Falle eines Phosphathärters wäre dies ein Alkaliphosphat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifiziertem Monoaluminiumphosphat kein chemischer Härter zugesetzt. Alternativ kann auch hier ein geeigneter chemischer Härter zugebeben werden. Das hier beschriebene Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifizierte Monoaluminiumphosphat besitzt vorzugsweise ein molares Verhältnis von Al zu P von 1:3 bis 1:1,5 und härtet insbesondere bei Temperaturen zwischen 300 °C und 350 °C. In den Lösungen können weitere Elemente oder Verbindungen enthalten sein, jedoch vorzugsweise max. 1 Mol% an Alkali und Halogenverbindungen.
Das für das Matrixmaterial eingesetzte Wasserglas kann zumindest aus Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder einer Mischung daraus bestehen oder diese Alkaliwassergläser aufweisen. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere eine Kombination von Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas hervorragende Eigenschaften für das Matrixmaterial aufweist. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas zwischen 1:3 bis 3:1. Insbesondere ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas 1:3, 1:1 oder 3:1, vorzugsweise 1:1.
Die Alkaliwassergläser können beispielweise ein Modul von 1,5 bis 5 besitzen, vorzugsweise ein Modul von 2,5 bis 4,5. Der Begriff Modul ist dem Fachmann bekannt und bezeichnet das molare Verhältnis von SiO₂ zu Alkalioxid.
Vorzugsweise wird bei Wasserglas, wie beispielsweise dem Kalium-Wasserglas, ein chemischer Härter zugesetzt. Beispielsweise kann Aluminiumphosphat für Kalium-Wasserglas als chemischer Härter zugesetzt werden. Die chemische Härtung erfolgt durch einen Ionenaustausch, in diesem Fall Kaliumionen durch Aluminiumionen. Das bedeutet, dass Aluminiumionen in das silikatische Netzwerk eingebaut werden, wodurch sich die Feuchtebeständigkeit erhöht. Als Nebenprodukt entsteht Kaliumphosphat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Schichtdicke von 20 µm bis 70 µm für Teilkonversion oder 40 µm bis 150 µm für Vollkonversion auf. Insbesondere weist das Konversionselement eine maximale Schichtdicke von 70 µm, besser maximal 60 µm, vorzugsweise maximal 50 µm oder maximal 45 µm oder maximal 40 µm oder maximal 35 µm oder maximal 30 µm oder maximal 25 µm oder maximal 20 µm bei Teilkonversion. Insbesondere weist das Konversionselement für Vollkonversion eine maximale Schichtdicke von 150 µm, besser maximal 130 µm, vorzugsweise maximal 110 µm oder maximal 90 µm oder maximal 80 µm oder maximal 70 µm oder maximal 60 µm oder maximal 50 µm oder maximal 40 µm. Vollkonversion meint hier, dass die Strahlung der Halbleiterschichtenfolge gar nicht oder zu weniger als 5 % an der resultierenden Gesamtstrahlung beiträgt. Die Strahlung der Halbleiterschichtenfolge kann alternativ teilweise absorbiert werden, sodass die aus dem Konversionselement austretende Gesamtstrahlung sich aus der Strahlung der Halbleiterschichtenfolge und der konvertierten Strahlung zusammensetzt. Dies kann auch als Teilkonversion bezeichnet werden. Die Gesamtstrahlung kann weißes Mischlicht sein. Das Mischlicht kann beispielsweise warmweiß oder kaltweiß sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionsmaterial aus folgender Gruppe ausgewählt: (Y,Gd,Tb,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ba,Ca,Mg)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Ca,Sr,Ba)₂SiO₄:Eu²⁺, α-SiAlON:Eu²⁺, β-SiAlON:Eu²⁺, (Sr,Ca)S:Eu², (Sr,Ba,Ca)₂(Si,Al)₅(N,O)₈:Eu²⁺, (Ca,Sr)₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺, (Sr,Ba)Si₂N₂O₂:Eu²⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionsmaterial Quantenpunkte auf, wie beispielsweise CdSe, InP oder ZnSe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Schichtdicke von 1 µm bis 150 µm auf. Das Konversionsmaterial kann insbesondere Quantenpunkte umfassen oder daraus bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien in dem Matrixmaterial eingebettet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das Bauelement im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 2500 K bis 4500 K. Zusätzlich kann der Farbwiedergabeindex CRI zwischen 70 und 100 sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das Bauelement im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 4500 K und 8000 K. Zusätzlich kann der Farbwiedergabeindex CRI zwischen 70 und 100 sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das Bauelement kein weißes Licht sondern beispielsweise türkises, grünes, gelbes, oranges, rotes oder tiefrotes Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 Vol% und 70 Vol% auf. Vorzugsweise weist das Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 20 Vol% und 40 Vol%, insbesondere wenn das optoelektronische Bauelement warm-weißes Mischlicht emittiert, auf. Der Anteil des Matrixmaterials in dem Konversionselement beträgt beispielsweise max. 70 Vol%, besser max. 65 Vol%, vorzugsweise max. 60 Vol% oder max. 55 Vol% oder max. 50 Vol% oder max. 45 Vol% oder max. 40 Vol% oder max. 35 Vol% oder max. 30 Vol% oder max. 25 Vol% oder max. 20 Vol% oder max. 15 Vol% oder max. 10 Vol% oder max. 5 Vol%. Dies entspricht beispielsweise einem Gewichtsanteil von max. 60 Gew%, besser max. 55 Gew%, vorzugsweise max. 50 Gew% oder max. 45 Gew% oder max. 40 Gew% oder max. 35 Gew% oder max. 30 Gew% oder max. 25 Gew% oder max. 20 Gew% oder max. 15 Gew% oder max. 10 Gew% oder max. 5 Gew% an Matrixmaterial im Konversionselement. Beispielsweise liegt der Volumenanteil der Matrix zwischen 10 Vol% und 65 Vol% und der Masseanteil zwischen 5 Gew% und 40 Gew%. Das Konversionsmaterial weist beispielsweise in dem Konversionselement einen Anteil von mehr als 50 Gew%, besser mehr als 60 Gew%, vorzugsweise mehr als 65 Gew% oder mehr als 70 Gew% oder mehr als 75 Gew% oder mehr als 80 Gew% oder mehr als 85 Gew% oder mehr als 90 Gew% oder mehr als 95 Gew% auf. Das Konversionsmaterial kann einen Volumenanteil beispielsweise von mehr als 10 Vol% oder 20 Vol%, besser mehr als 30 Vol%, vorzugsweise mehr als 35 Vol% oder mehr als 40 Vol% oder mehr als 45 Vol% oder mehr als 50 Vol% oder mehr als 55 Vol% oder mehr als 60 Vol% oder mehr als 65 Vol% oder mehr als 70 Vol% oder mehr als 75 Vol% in dem Konversionselement aufweisen. Beispielsweise ist der Volumenanteil zwischen 40 Vol% und 85 Vol% und der Masseanteil zwischen 60 Gew% und 90 Gew%. Dadurch kann ein Konversionselement bereitgestellt werden, das sehr dünn ausgeformt ist und eine hohe Konzentration des Konversionsmaterials aufweist.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Vorzugsweise wird mit dem Verfahren das hier beschriebene optoelektronische Bauelement hergestellt. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen für das optoelektronische Bauelement auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf:

A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche in Betrieb Strahlung emittiert,
B) Direktes Aufbringen eines Konversionselements auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche, wobei das Matrixmaterial aus zumindest einer Lösung eines Sol-Gel Materials besteht, in der das mindestens eine Konversionsmaterial dispergiert ist,
C) Aushärten der unter Schritt B) erzeugten Anordnung, ggf. Modifikation oder Bearbeitung, beispielsweise Glättung, einer der Hauptstrahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche,
D) Vereinzeln der unter Schritt C) erzeugten Anordnung zur Erzeugung des optoelektronischen Bauelements.

Durch den Schritt D kann eine scharfe Schnittkante an den einzelnen optoelektronischen Bauelementen erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen in Schritt B mittels einer der folgenden Methoden: Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen, Spin coating, Elektrophoretische Beschichtung (EPD), Rakeln, Aufsprühen, Tauchbeschichtung. Optional kann vor oder nach dem Vereinzelnen noch eine oder mehrere weitere Beschichtungen auf die Oberfläche und/oder die Kanten der Konversionsschicht (ggf. auch auf die Kanten der Halbleiterschichtenfolge), beispielsweise eine Antireflexbeschichtung oder eine dichroitische Beschichtung oder eine Passivierungsschicht oder eine Verkapselungsschicht, aufgebracht werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung eines hier beschriebenen Konversionselements in einem hier beschriebenen anorganischen optoelektronischen Bauelement folgende vorteilhafte Eigenschaften erzeugt werden können:
Das Konversionselement, das vorzugsweise keine organischen Komponenten aufweist und direkt mit der Halbleiteroberfläche verbunden ist, ist stabil gegenüber die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung, insbesondere aus einem blauen Spektralbereich. Zudem weist das Konversionselement eine hohe thermische Stabilität auf. Das Bauelement kann daher bei höheren Betriebsströmen betrieben werden. Eine höhere Helligkeit pro Halbleiterfläche, also eine höhere Leuchtdichte, ist beobachtbar, da das Konversionselement eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Konversionselemente mit Silikonmatrix, wodurch eine höhere Stromdichte ermöglicht wird. Dadurch kann die Stokes-Wärme, die in dem Konversionsmaterial erzeugt wird, leichter abgeführt werden. Die Halbleiterschichtenfolge dient hier als sogenannte Wärmesenke. Es können demzufolge temperatursensitive Konversionsmaterialien verwendet werden. Zudem erfolgt eine geringere Degradation, ein geringeres Temperaturquenchen, und eine Wellenlängenverschiebung wird vermieden, was sich positiv auf die Effizienz, Lebensdauer und/oder Farbortstabilität (bei Temperaturänderung) auswirkt. Das Konversionselement kann direkt auf die Halbleiterschichtenfolge appliziert werden.
Die Halbleiterschichtenfolge kann auch Teil eines Wafer-Verbundes sein. Mit anderen Worten kann das Konversionselement auch im Wafer-Maßstab, also in einem Verbund von optoelektronischen Bauelementen, aufgebracht werden. Dies ist kostengünstiger als die Aufbringung jedes einzelnen Konversionselements auf jedes einzelne optoelektronische Bauelement oder auf jede einzelne Halbleiterschichtenfolge. Es können daher mehrere Konversionselemente und optoelektronische Bauelemente gleichzeitig hergestellt werden.
Die Verwendung eines Flip Chips zeigt den Vorteil, dass sich beide elektrischen Kontaktierungen auf der dem Konversionselement gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichtenfolge befinden und die Kontaktierung dort erfolgt. Daher muss das Konversionselement keine Bereiche aufweisen, an die beispielsweise eine Kontaktierung, wie ein Bondpad bzw. Bonddraht, angebracht werden muss.
Das Matrixmaterial zeigt eine sehr gute Adhäsionskraft und ist deutlich weniger elastisch als Silikon. Dies ermöglicht ein Schneiden des Verbundes mit guter Kantenqualität.
Ein organisches Matrixmaterial wird hier durch ein anorganisches kondensiertes Sol-Gel Material ersetzt. In diesem anorganischen kondensierten Sol-Gel Material kann zumindest ein oder mehrere Konversionsmaterialien eingebettet sein. Als Konversionsmaterialien eignen sich herkömmliche Konversionsmaterialien wie Leuchtstoffe auf Basis von Oxiden oder Nitriden. Alternativ können auch Quantendots mit oder ohne organischen Liganden oder mit oder ohne anorganischer Beschichtung, wie beispielsweise aus Siliziumdioxid, verwendet werden. Mit Quantendots sind auch deutlich geringere Schichtdicken von beispielsweise kleiner 50 µm oder kleiner 40 µm oder kleiner 30 µm oder kleiner 25 µm oder kleiner 20 µm oder kleiner 15 µm oder kleiner 10 µm oder kleiner 5 µm oder kleiner 2 µm denkbar.
Konversionsmaterialien, wie organische fluoreszierende oder phosphoreszierende Materialien oder Perowskite oder polymere Perowskite, fluoreszierende Proteine, sind ebenfalls als Konversionsmaterial denkbar. Als Konversionsmaterialien können auch organische Farbstoffe verwendet werden.
Die Sol-Gel Lösung, Paste oder Suspension, die aus aus dem Sol-Gel und dem mindestens einen Konversionsmaterial besteht, kann direkt auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche der Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise eines Flip Chips, im Wafer-Level-Maßstab aufgebracht werden. Alternativ kann es auch auf einzelne Chips augebracht haben, die sich beispielsweise bereits in einem Gehäuse (Package) befinden.
Das Sol-Gel Material weist eine geringe Viskosität auf und kann deshalb mit einem hohen Füllgrad an Konversionsmaterialpartikeln gefüllt werden. Nach dem Trocknen und Aushärten resultiert ein Konversionselement, das komplett anorganisch ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist verglichen mit Konversionsmaterialien in Silikon als Matrixmaterial. Durch den hohen Füllgrad kann das Konversionselement für den gleichen Konversionsgrad dünner ausgeformt werden als weniger gefüllte Konversionselemente. Da das hier beschriebene Konversionselement direkt appliziert werden kann, können die Schichten auch dünner ausgeformt werden als bei freistehenden Konversionselementen, die für das nachfolgende Handling wie beispielsweise zum Aufkleben auf die Halbleiterschichtenoberfläche noch eine mechanische Stabilität benötigen. Durch den hohen Füllgrad in Verbindung mit der geringen Schichtdicke und der guten Wärmeleitfähigkeit der Matrix weist das Konversionselement eine sehr gute Wärmeableitung auf. Ein weiterer thermischer Vorteil ergibt sich aus der nicht benötigten Klebeschicht und damit einer guten Wärmeableitung zur Halbleiterschichtenfolge. Eine Kleberschicht basiert häufig auf Klebematerialien wie Silikon die eine vergleichsweise geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, d.h. eine thermische Barriere darstellen.
Anorganische Matrixmaterialien weisen eine bessere Stabilität auf gegenüber die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung und gegenüber hohen Temperaturen sowie eine bessere Wärmeleitfähigkeit, verglichen mit organischen Matrixmaterialien, wie Silikon. Daraus resultiert, dass die hier beschriebenen Konversionselemente bei höheren Anregungsleistungen und höheren Temperaturen betrieben werden können. Wird Wasserglas, bestimmte Aluminiumphosphate, Monoaluminiumphosphat oder modifiziertes Monoaluminiumphosphat als Ausgangsmaterial für das anorganische kondensierte Sol-Gel Material verwendet, kann ein komplett anorganisches Konversionselement bei niedrigen Herstellungstemperaturen erzeugt werden. Das Konversionselement kann auch organische oder zum Teil organische Sol-Gel Materialien, wie beispielsweise Alkoxysilane, wie TMOS, TEOS, Alkoxyde oder Alkoxane, aufweisen. Die Verwendung von organischen oder teilweise organisch funktionalisierten Sol-Gel Materialien ist möglich, aber nicht bevorzugt, weil eine vollständige Kondensation des Sol-Gel Materials bei tiefen Temperaturen nicht erfolgt und damit eine Gefahr in Bezug auf die Stabilität des Bauelements während der Lebensdauer erzeugt wird.
Das Matrixmaterial, insbesondere das Sol-Gel Material, wird bei derartigen Temperaturen hergestellt, um die Halbleiterschichtenfolge nicht zu schädigen oder um sensitive Konversionsmaterialien, wie beispielsweise nitridische Leuchtstoffe, nicht zu schädigen oder zu zerstören. Wenn ein chemischer Härter dazugesetzt ist, kann bei Verwendung von Wasserglas als Matrixmaterial eine gute Stabilität gegenüber Feuchtigkeit bei 85 °C, 85 Prozent relativer Feuchtigkeit über 1000 Stunden, bereits bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise kleiner oder gleich 150 °C erzeugt werden. Nach der Herstellung des Bauelements bei niedrigen Temperaturen kann der Wafer vollständig aus anorganischen Materialien bestehen und weist eine gute chemische Resistenz auf.
Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche kann modifiziert werden, um die Auskopplung und die Adhäsion zwischen dem Matrixmaterial, also dem Konversionselement und der Halbleiterschichtenfolge zu erhöhen. Beispielsweise kann die Hauptstrahlungsaustrittsfläche mittels Plasma behandelt werden oder mit einer anorganischen Schicht, wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ITO oder Aluminiumoxid oder einer Kombination mehrerer Schichten behandelt werden.
Die Halbleiterschichtenfolge kann von Streupartikeln umgeben sein, die ebenfalls in einem Matrixmaterial eingebettet sind.
Dabei kann die über die Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung verringert werden. Als Streupartikel können beispielsweise Titandioxid-Partikel in einem Matrixmaterial verwendet werden. Als Matrixmaterial kann das hier beschriebene Matrixmaterial oder auch ein organisches Matrixmaterial, wie Silikon, verwendet werden.
Das optoelektronische Bauelement kann Beschichtungen aufweisen. Die Beschichtungen können beispielsweise eine Streuschicht umfassen. Damit kann die winkelabhängige Abstrahlcharakteristik verbessert werden. Beispielsweise kann bei Teilkonversion die Mischung des von der Halbleiterschichtenfolge emittierten blauen Lichts und des konvertierten Lichts besser erfolgen.
Dem Konversionselement kann eine Beschichtung oder eine Verkapselung nachgeordnet sein. Dadurch kann die Stabilität gegen Feuchtigkeit erhöht werden. Die Schutzschicht kann auch nach einem Vereinzelungsprozess, beispielsweise durch Sägen, aufgebracht werden, um auch die Kanten des Konversionselements zu schützen. Als Schutzschicht eignen sich beispielsweise aufgedampfte Schichten aus z.B. SiO₂ und/oder Al₂O₃, insbesondere auch Schichten die mittels Atomlagenabscheidung (ALD, atomic layer deposition) aufgebracht werden, oder auch polymere oder hybridpolymere Schichten beispielsweise aus Ormocer, Polysilazan, Polysiloxan, Silikon, und/oder Parylene.
Das optoelektronische Bauelement kann funktionale Beschichtungen, wie Antireflexbeschichtung oder Filter, aufweisen. Dadurch können beispielsweise die Lichtauskopplung erhöht oder Refexionsverluste minimiert werden. Es können auch dielektrische Filter verwendet werden, die wellenlängenselektiv reflektieren, beispielsweise bevorzugt einen Teil der blauen Primärstrahlung während die Sekundärstrahlung kaum reflektiert wird, um einen homogeneren Farbort unter verschiedenen Winkeln zu erzeugen.
Die hier beschriebenen Beschichtungen können einzeln in dem optoelektronischen Bauelement oder auch in Kombination verwendet werden.
Das Konversionsmaterial kann einzeln oder als Mischung mit mehreren Konversionsmaterialien in dem Matrixmatrial eingebettet sein. Damit kann der Farbort und der Farbwiedergabeindex eingestellt werden. Durch Kombination eines grün emittierenden und rot emittierenden Konversionsmaterial kann warm-weißes Mischlicht erzeugt werden.
Das Konversionsmaterial kann als Partikel ausgeführt werden. Vorzugsweise weisen die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen 1 und 35 µm, insbesondere zwischen 2 und 20 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 15 µm auf. Dadurch können sehr dünne Konversionselemente erzeugt werden und die Wärmeabfuhr und die Effizienz verbessert werden. Bei Verwendung von sehr kleinen Partikelgrößen, beispielsweise zwischen 0,5 µm und 5 µm oder im Falle von Quantendots von nur einigen Nanometern, können äußerst dünne Schichten erzeugt werden in denen sich das Licht seitlich kaum ausbreitet. Damit kann beispielsweise bei Multi-Pixel-LEDs mit mehreren benachbarten Hauptstrahlungsaustrittsflächen ein Übersprechen von einem Pixel auf den anderen weitestgehend vermieden werden, d.h. wenn nur ein Pixel betrieben wird dann bleiben die Nachbarpixel relativ dunkel.
Das Konversionselement kann einen Dotierstoff oder Aktivator aufweisen. Die Aktivatorkonzentration kann zur Einstellung des gewünschten Farbortes dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann zumindest ein Konversionselement unterschiedliche Konversionsmaterialien mit unterschiedlichen Partikelgrößen aufweisen. Es können Konversionsmaterialien, die größere Partikel und kleinere Partikel aufweisen, zusammengemischt werden und damit eine möglichst dichte Packung und damit ein dünnes Konversionselement erzeugt werden. Alternativ kann das Konversionsmaterial auch einen Konzentrationsgradienten in dem Matrixmaterial aufweisen. Beispielsweise können größere Partikel nahe zur Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet sein, während kleinere Partikel der Hauptstrahlungsaustrittsfläche gegenüber liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement Streupartikel oder Füllstoffe auf. Die Streupartikel oder Füllstoffe können beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zinkoxid, Zirkoniumdioxid, andere keramische als auch glasartige Partikel, Metalloxide oder andere anorganische Partikel sein. Die Streupartikel oder die Füllstoffe können eine unterschiedliche Form aufweisen, beispielsweise kugelförmig, stäbchenförmig oder scheibenförmig, wobei die Partikelgröße zwischen einigen Nanometer bis zu einigen zehn Mikrometer sein kann. Kleinere Partikel können genutzt werden, um die Viskosität der Suspension einzustellen. Größere Partikel können zur Herstellung eines kompakten Konversionselements und/oder zur verbesserten Wärmeabführung, Feuchteresistenz, oder Dickenhomogenität beitragen. Die Streuung kann verändert und/oder die mechanische Stabilität kann verbessert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement Additive auf. Ein Additiv kann Aerosil oder Kieselerde, wie beispielsweise Sipernat, sein. Damit kann die Viskosität der Suspension modifiziert werden und der Anteil zwischen der flüssigen und der festen Komponente eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht mehrere Teilschichten auf. Mit anderen Worten kann die erste Schicht derart ausgeformt sein, dass die erste Schicht mehrere Konversionsmaterialien aufweist, die in unterschiedlichen Teilschichten angeordnet sind. Die Konversionsmaterialien können in gleiche oder unterschiedliche Matrixmaterialien eingebettet sein. Die Teilschichten können sich in Dicke, Kompaktheit, Matrixmaterial, Konversionsmaterial, Korndurchmesser, Streuer und/oder Füllstoffe unterscheiden.
Um ein kompaktes Konversionselement zu erzeugen, kann es von Vorteil sein, das Konversionselement in mehr als einem Schritt zu erzeugen. Beispielsweise kann die erste Schicht mehrere Teilschichten aufweisen, die nacheinander erzeugt werden und damit eine geringere Schichtdicke aufweisen und kompakter hergestellt werden können als eine einzelne erste Schicht.
Das Trocknen und Aushärten kann zwischen den einzelnen Herstellungsschritten des Aufbringens der Teilschichten erfolgen. Da das Konversionselement eine gewisse Porosität hat, können in alle Poren ein Material, beispielsweise ein Polymer, wie Silikon oder Polysilazan, oder generell ein Material, das eine geringe Lichtabsorption im Wellenlängenbereich der Anregungswellenlänge oder des konvertierten Lichts aufweist, eingebracht werden.
Das Sol-Gel Material kann eine verschiedene oder eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen. Im Vergleich zum organischen Matrixmaterial kann das Sol-Gel Material keine organischen Anteile und keine flüchtigen organischen Moleküle nach dem Ausheizen aufweisen.
Dies bietet eine Menge Vorteile: Das ausgehärtete Sol-Gel Material kann ein glasartiges- oder polykristallines Oxid bilden, wenn das Lösungsmittel entfernt ist. Die Oberflächenchemie von einer goldbeschichteten Fläche des Wafers, die Siliziumdioxid-passivierten lichtemittierenden Bereiche oder die Chemie von Sol-Gel Materialien können so eingestellt werden, dass in einer Sol-Gelflüssigen Phase eine gute Anhaftung des Konversionselements auf einer siliziumdioxid-passivierten Hauptstrahlungsaustrittsfläche erfolgt und dadurch eine geringe Anhaftung an den elektrischen Kontakten aus Gold während der Herstellung, also vor dem Ausheizen erfolgt. Dies ist vorteilhaft, wenn nur bestimmte Bereiche beschichtet werden sollen.
Das Konversionselement kann ganzflächig auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgebracht werden, anschließend können lithografische Strukturierungen erfolgen, indem ein Teilbereich des Konversionselements wieder entfernt wird, beispielsweise der für die elektrische Kontaktierung oder der für die Bauelementevereinzelung verwendet werden kann. Das Strukturieren kann nasschemisch, beispielsweise mit Säuren oder Laugen oder mittels Plasma, beispielsweise mit Chlor oder Fluor oder Alkali als reaktive Spezies erfolgen.
Das Konversionselement kann ganzflächig auf vorstrukturierte Wafer aufgebracht werden. Das Vorstrukturieren kann beispielsweise dazu dienen, die Bondpads abzudecken. Das Vorstrukturieren kann beispielsweise lithografisch erfolgen. Nach dem Aufbringen und gegebenenfalls Aushärten des Konversionselements kann die Strukturierung entfernt werden, so dass sich Bereiche auf dem Wafer ergeben auf denen kein Konversionselement aufgebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Konversionselement derart auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgebracht, dass die elektrischen Kontaktierungen und/oder die metallischen Bereiche frei von dem Konversionselement sind. Dies kann durch sogenanntes Self Assembling des Konversionselements erzeugt werden. Mit anderen Worten wird hier die Polarität, das heißt hydrophile und hydrophobe Bereiche der Materialien genutzt, um damit die Abscheidung des Konversionselements zu beeinflussen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Hauptstrahlungsaustrittsfläche und/oder die elektrischen Kontaktierungen aus Materialien erzeugt, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Aufgrund der Polarität (je nach Hydrophilie oder Hydrophobie) der Materialien haftet das Matrixmaterial unterschiedlich an den jeweiligen Bereichen. Die hydrophilen/hydrophoben Eigenschaften können durch Plasmaaktivierung eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das nasschemische Verhalten des Sols des Matrixmaterials modifiziert werden und somit sogenannte Self Assambly Monolayers (SAM) erzeugt werden. Diese Materialien bestehen typischerweise aus bifunktionalen Molekülen, die eine chemische reaktive Ankergruppe haben. Diese chemisch reaktive Ankergruppe reagiert selektiv entweder mit der Hauptstrahlungsaustrittsfläche oder mit den elektrischen Kontaktierungen. Das bi-funktionale Molekül kann eine Schwanzgruppe aufweisen, die eine zweite reaktive Gruppe aufweist, die sich an das Sol-Gel Material lagert. Beispielsweise sind reaktive Gruppen R-SH, R-SeH, R-TeH, ROH, R-COOH, R-NH₂, wobei R Alkane oder Aromaten darstellen. Beispiele für die zweite reaktive Gruppe der Schwanzgruppe sind R-SiCl₃, R-SiH_XCl_Y, R-Si(OH)₃.
Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche kann Siliziumdioxid aufweisen. Die elektrische Kontaktierung kann aus Gold sein. Das Sol kann eine wässrige Lösung aus Kalium-Wasserglas sein. Die Assembly Monolayers können HS-C₆H₁₃ aufweisen. Die Thiol-Gruppe bindet dabei selektiv an die Goldoberfläche. Nach der Waschung kann die Schwanzgruppe, die Alkane aufweisen kann, eine Anhaftung des Sol-Gel Materials auf der Goldoberfläche erzeugen.
Das Sol-Gel Material kann mit ein oder mehreren Metallionen dotiert sein. Damit kann die elektrische Leitfähigkeit des Konversionselements verbessert werden. Ferner kann dadurch eine bessere Stromaufweitung und/oder ein elektrischer Kontakt auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche erzeugt werden. Als Halbleiterschichtenfolge kann InGaN verwendet werden.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1A bis 1F jeweils eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform und
2A bis 2E ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie z. B. Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die 1A bis 1E zeigen jeweils ein optoelektronisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform.
Die 1A zeigt eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich, der zumindest über einer Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 im Betrieb Strahlung emittiert. Vorzugsweise emittiert die Halbleiterschichtenfolge 1 Strahlung aus dem blauen Spektralbereich. Die Halbleiterschichtenfolge 1 kann beispielsweise aus InAlGaN sein. Direkt auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 ist das Konversionselement 2 angeordnet. Direkt meint hier, dass das Konversionselement 2 unmittelbar, das heißt ohne weitere Schichten oder Elemente, wie beispielsweise eine Kleberschicht, auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet ist. Das Konversionselement 2 ist substratfrei und weist eine erste Schicht 22 (hier nicht gezeigt) auf.
Die erste Schicht 22, wie in 1B gezeigt, weist ein Matrixmaterial 221 auf, in dem zumindest ein Konversionsmaterial 222 eingebettet ist. Das Matrixmaterial 221 weist zumindest ein kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material auf oder besteht daraus. Das Sol-Gel Material kann beispielsweise Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifiziertes Monoaluminiumphosphat sein. Das Sol-Gel Material weist einen Anteil zwischen 10 Vol% und 70 Vol% in der ersten Schicht 22 auf.
Alternativ kann das Konversionselement 2, wie in 1C gezeigt, auch mehr als ein Konversionsmaterial aufweisen. In der Ausführungsform der 1C sind zwei Konversionsmaterialien 222, 224 in dem Matrixmaterial 221 eingebettet. Es können auch mehr als zwei Konversionsmaterialien, beispielsweise drei, vier oder fünf Konversionsmaterialien in dem Matrixmaterial 221 eingebettet sein.
Alternativ kann die erste Schicht 22 auch aus mehreren Teilschichten, hier in 1D am Beispiel von zwei Teilschichten 4 und 5 dargestellt, aufweisen. Die Teilschicht 4 weist ein Matrixmaterial 221 und das Konversionsmaterial 222 auf. Als Konversionsmaterial 222 können herkömmliche Konversionsmaterialien verwendet werden. Die Teilschicht 5 weist das Matrixmaterial 223 und das Konversionsmaterial 224 auf. Die Konversionsmaterialien 222, 224 sind jeweils in dem Matrixmaterial eingebettet. Die Matrixmaterialien 221, 223 können gleich oder unterschiedlich sein. Die Konversionsmaterialien 222, 224 können gleich oder unterschiedlich sein.
Die 1E zeigt ein optoelektronisches Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform, das als so genannter Flip-Chip ausgeformt ist. Der Flip-Chip weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 auf. Über der Halbleiterschichtenfolge 1 ist das Konversionselement 2 angeordnet. Der Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 gegenüber liegenden Seite sind Kontaktierungen 9 angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 1 dienen. In dem Fall sind zwei Kontaktierungen angeordnet, die beide auf der der Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 abgewandten Seite angeordnet sind.
Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge 1 auch Teil eines Halbleiterchips sein, der Durchkontaktierungen 9 aufweist und auf einem Träger 21 angeordnet ist. Insbesondere erstrecken sich die Kontaktierungen über eine p-dotierte Halbleiterschicht 114, n-dotierte Halbleiterschicht 113 und der aktiven Schicht 112 (1F).
Die 2A bis 2E zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Insbesondere wird das optoelektronische Bauelement 100 in einem Verbund, also eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen 100, hergestellt.
Die 2A zeigt die Bereitstellung eines Hilfsträgers 10. Der Hilfsträger weist beispielsweise eine Metallplatte auf, die auf eine doppelseitig klebende Folie laminiert ist. Auf der doppelseitig klebenden Folie kann die Halbleiterschichtenfolge 1 oder Halbleiterchips fixiert werden. Der Hilfsträger 10 kann beispielsweise ein Siliziumwafer oder allgemein ein Wafer sein.
Auf den Hilfsträger 10 kann, wie in 2B gezeigt, die Halbleiterschichtenfolge 1 epitaktisch aufgebracht werden. Die Aufbringung kann ganzflächig erfolgen.
Nach der Aufbringung der Halbleiterschichtenfolge 1 kann, wie in 2C gezeigt, das Konversionselement 2 ganzflächig auf die Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht werden.
Anschließend kann der Hilfsträger 10 wieder entfernt werden.
In 2D ist die Vereinzelung 110 gezeigt, so dass eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen 100 gleichzeitig erzeugt werden. Die Materialien für die Halbleiterschichtenfolge 1 und das Konversionselement 2 können die hier vorstehend beschriebenen Materialien aufweisen.
Die 2E zeigt die Draufsicht eines Verbunds von optoelektronischen Bauelementen 100, die matrixförmig angeordnet sind.
Ausführungsbeispiel 1: Wasserglas als Matrixmaterial
Aus einer Kaliumwasserglaslösung, Aluminiumphosphatpulver als chemischen Härter und einem Granatleuchtstoffpulver (YAG:Ce) wird eine Suspension hergestellt, die optional noch mit Wasser verdünnt werden kann. Das Massenverhältnis von Fest- zu Flüssigkomponenten bewegt sich zwischen 1 zu 2 und 1 zu 0,3. Die Strahlungsaustrittsfläche eines Flip-Chip Wafersegments wird direkt mit der Suspension beschichtet, beispielsweise mittels Doctor-Blade-Verfahren. Die Nassschichtdicke liegt hierbei zwischen 15 µm und 150 µm, besser zwischen 20 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 25 µm und 90 µm. Im Anschluss werden die Schichten getrocknet und bei 150 °C für 2h gehärtet. In diesem Fall entsteht Kaliumphosphat als Nebenprodukt. Alternativ zum Wafersegment kann auch ein kompletter Wafer, beispielsweise 4 oder 6 Zoll, beschichtet werden.
Ausführungsbeispiel 2: Mischwasserglas als Matrixmaterial
Aus einer Kaliumwasserglaslösung (KWG), einer Lithiumwasserglaslösung (LiWG) und einem Granatleuchtstoffpulver (YAG:Ce) wird eine Suspension hergestellt, die optional noch mit Wasser verdünnt werden kann. Das Massenverhältnis der beiden Wasserglaslösungen liegt zwischen 1 bis 99 Gew% LiWG und 99 bis 1 Gew% KWG, besser zwischen 10 bis 90 Gew% LiWG und 90 bis 10 Gew% KWG, insbesondere zwischen 25 bis 75 Gew% LiWG und 75 bis 25 Gew% KWG, idealerweise zwischen 40 - 60 Gew% LiWG und 60 - 40 Gew% KWG. Das Massenverhältnis von Fest- zu Flüssigkomponenten liegt in einem ähnlichen Bereich wie im Ausführungsbeispiel 1. Die Herstellung, d.h. die Beschichtung und Temperaturbehandlung ist ebenfalls vergleichbar mit dem Ausführungsbeispiel 1.
Ausführungsbeispiel 3: Wasserglas als Matrixmaterial
Das Ausführungsbeispiel 3 entspricht dem Ausführungsbeispiel 1, jedoch wurde eine warmweiße Leuchtstoffmischung (zum Beispiel LuAG:Ce and CaAlSiN:Eu) eingesetzt.
Ausführungsbeispiel 4: Mischwasserglas als Matrixmaterial
Das Ausführungsbeispiel 4 entspricht dem Ausführungsbeispiel 2, jedoch wurde eine warmweiße Leuchtstoffmischung (zum Beispiel YAG:Ce and CaAlSiN:Eu) eingesetzt.
Ausführungsbeispiel 5: Wasserglas als Matrixmaterial
Das Ausführungsbeispiel 5 entspricht dem Ausführungsbeispiel 1, jedoch wurde eine neutralweiße Leuchtstoffmischung (zum Beispiel YAG:Ce, LuAG:Ce and CaAlSiN:Eu) eingesetzt.
Das Wasserglas kann auch bei höheren Temperaturen gehärtet werden, wenn das Substrat (Halbleiter) oder der eingebettete Leuchtstoff dadurch nicht geschädigt werden.
Ausführungsbeispiel 6: Aluminiumphosphat als Matrixmaterial
Aus einer modifizierten Monoaluminiumphosphatlösung und einem Granatleuchtstoffpulver (LuAG:Ce) wird eine Suspension hergestellt, die optional noch mit Wasser verdünnt werden kann. Das Massenverhältnis von Fest- zu Flüssigkomponenten bewegt sich zwischen 1 zu 2 und 1 zu 0,3. Die Strahlungsaustrittsfläche eines Flip-Chip Wafersegments wird direkt mit der Suspension beschichtet, beispielsweise mittels Doctor-Blade-Verfahren. Die Nassschichtdicke liegt hierbei zwischen 15 µm und 150 µm, besser zwischen 20 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 25 µm und 90 µm. Im Anschluss werden die Schichten getrocknet und bei 300 °C oder 350 °C für 2h gehärtet. Alternativ zum Wafersegment kann auch ein kompletter Wafer, beispielsweise 4 oder 6 Zoll, beschichtet werden oder ein anderer Chiptyp beschichtet werden.
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 gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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

100: optoelektronisches Bauelement
1: Halbleiterschichtenfolge
11: Hauptstrahlungsaustrittsfläche
2: Konversionselement
21: Träger
22: erste Schicht
221: Matrixmaterial
222: Konversionsmaterial
223: Matrixmaterial
224: Konversionsmaterial
4: Teilschicht der ersten Schicht
5: Teilschicht der ersten Schicht
6: Verguss
7: Gehäuse
8: Oberfläche der ersten Schicht
9: Kontaktierungen oder Durchkontaktierungen
10: Hilfsträger
112: aktive Schicht
114: p-dotierte Halbleiterschicht
113: n-dotierte Halbleiterschicht
110: Vereinzeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015101143 A1 [0017]

Claims

Optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend - eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) in Betrieb Strahlung emittiert, - ein Konversionselement (2), das der Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) direkt nachgeordnet ist, - wobei das Konversionselement (2) substratfrei ist und eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste Schicht (22) zumindest ein Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einem Matrixmaterial (221) eingebettet ist, - wobei das Matrixmaterial (221) zumindest ein kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, Metalloxid, Metallsilikate, Metallsulphate, Wolframate, - wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei das Konversionselement (2) auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) ohne einen Kleber haftet.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, das frei von einem organischen Material ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) Teil eines Flip Chips ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flip Chip einen Saphirträger aufweist oder Teil eines Chip Scale Packages (CSP) ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) eine anorganische Schicht aus SiO2, Siliziumnitrid, ITO oder Aluminiumoxid aufweist, wobei die anorganische Schicht zumindest teilweise die Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) bildet.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (221) kondensiertes Monoaluminiumphosphat, kondensiertes modifiziertes Monoaluminiumphosphat oder kondensiertes Aluminiumphosphat ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (221) kondensiertes Wasserglas ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (221) zumindest Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder eine Mischung daraus aufweist, wobei das Konversionselement (2) einen chemischen Härter aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (2) eine Schichtdicke von 20 µm bis 70 µm für Teilkonversion und 40 µm bis 150 µm für Vollkonversion aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (2) eine Schichtdicke von 1 µm bis 150 µm aufweist und das Konversionsmaterial Quantenpunkte aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Konversionsmaterial (222) aus folgender Gruppe ausgewählt ist: (Y,Gd,Tb,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ba,Ca,Mg)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Ca,Sr,Ba)₂SiO₄:Eu²⁺, α-SiAlON:Eu²⁺, β-SiAlON:Eu²⁺, (Sr,Ca)S:Eu², (Sr,Ba,Ca)₂(Si,Al)₅(N,O)₈:Eu²⁺, (Ca,Sr)₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺, (Sr,Ba)Si₂N₂O₂:Eu^2+,, CdSe, InP, ZnSe.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien (222, 224) in dem Matrixmaterial (221) eingebettet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, das im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 2500K bis 4500K emittiert.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, das im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 4500K bis 8000K emittiert.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 20 und 50 Vol% aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16 mit den Schritten: A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche in Betrieb Strahlung emittiert, B) Direktes Aufbringen eines Konversionselements (2) auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche, wobei das Matrixmaterial (221) aus zumindest einer Lösung eines Sol-Gel Materials besteht, in der das Konversionsmaterial (222) dispergiert ist, C) Aushärten der unter Schritt B) erzeugten Anordnung, ggf. Glättung einer der Hauptstrahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche (8) des Konversionselements (2), D) Vereinzeln (110) der unter Schritt C) erzeugten Anordnung zur Erzeugung des optoelektronischen Bauelements (100).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Aufbringen im Schritt B) mittels einer der folgender Methoden erfolgt: Siebdruck, Dispensen, Spin coating, Elektrophoretische Beschichtung, Rakeln, Aufsprühen, Tauchbeschichtung.