DE102017121196A1

DE102017121196A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102017121196A1
Application number: DE102017121196.9A
Authority: DE
Inventors: David O'Brien
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US20200287097A1; US11563154B2; WO2019052891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) umfassend einen Halbleiterchip (1), der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist, ein Konversionselement (2), das Quantenpunkte (3) aufweist und die zur Wellenlängenkonversion von Strahlung eingerichtet sind, wobei die Quantenpunkte (3) jeweils einen wellenlängenkonvertierenden Kern (31) und eine anorganische Verkapselung (4) aufweisen, wobei die anorganische Verkapselung (4) das Matrixmaterial zumindest benachbarter Quantenpunkte (3) bildet, wobei benachbarte Quantenpunkte (3) einen Abstand von minimal 10 nm und/oder maximal 15 nm aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
Optoelektronische Bauelemente, wie beispielsweise Leuchtdioden, benötigen bei Vollkonversion in der Regel ein dickes Konverterelement, insbesondere mit einer Schichtdicke von mehr als 100 µm.
Im Gegensatz dazu benötigen vollkonvertierende optoelektronische Bauelemente für Pixelanwendungen dünne Konverterelemente, um das sogenannte Pixel-to-Pixel Crosstalk zu reduzieren und damit den Kontrast zu verbessern.
Die bekannten Konverterelemente sind in der Regel als Folien ausgeformt, die mittels einer Kleberschicht, beispielsweise aus Silikon, auf der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements angeordnet sind.
Alternativ können die Konverterelemente auch Leuchtstoffe, eingebettet in einer Polymermatrix, beispielsweise aus Silikon, aufweisen, in die der Halbleiterchip eingebettet ist. Die Konverterelemente können durch Dispensen, Gießen oder Sprühbeschichtung von in Silikon eingebette Leuchtstoffe erzeugt werden.
Beide Anordnungen haben den Nachteil, dass wenig Wärme von dem Konverterelement (Stokesenergie) durch das Matrixmaterial, insbesondere Polymere wie Silikon, zur Halbleiterchipwärmesenke abfließt und somit die Anwendungstemperatur und/oder -dauer beschränkt ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das verbesserte Eigenschaften aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, dass ein verbessertes optoelektronisches Bauelement erzeugt.
Diese Aufgabe wird oder diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe oder werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip ist zur Emission von Strahlung eingerichtet. Das optoelektronische Bauelement weist ein Konversionselement auf. Das Konversionselement weist Quantenpunkte auf. Die Quantenpunkte sind zur Wellenlängenkonversion von Strahlung, insbesondere der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung, eingerichtet. Die Quantenpunkte weisen jeweils einen wellenlängenkonvertierenden Kern und eine anorganische Verkapselung auf. Die anorganische Verkapselung umgibt den Kern insbesondere stoff- und formschlüssig. Die anorganische Verkapselung bildet das Matrixmaterial zumindest benachbarter Quantenpunkte. Die benachbarten Quantenpunkte weisen einen Abstand von minimal 10 nm oder minimal 11 nm auf.
Alternantiv oder zusätzlich können benachbarte Quantenpunkte einen Abstand von maximal 15 nm aufweisen.
Insbesondere umgibt die jeweilige anorganische Verkapselung den jeweiligen wellenlängenkonvertierenden Kern eines jeweiligen Quantenpunkts.
Quantenpunkte bedeutet hier eine Vielzahl, also mindestens zwei, Quantenpunkte in dem Konversionselement. Der wellenlängenkonvertierende Kern ist vorzugsweise stoff- und formschlüssig von der anorganischen Verkapselung umgeben. Die Quantenpunkte sind derart dicht beieinander angeordnet, dass diese einen Abstand von minimal 10 nm und/oder maximal 15 nm zu benachbarten Quantenpunkten aufweisen. Insbesondere befindet sich zwischen benachbarten Quantenpunkten oder zwischen den Quantenpunkten kein weiteres Matrixmaterial. Sofern ein weiteres Matrixmaterial verwendet wird, ist dieses Matrixmaterial insbesondere aus dem gleichen oder ähnlichen Material geformt wie die anorganische Verkapselung.
Der Abstand ist insbesondere größer als 10 nm, um eine FRET-Energieübertragung und Quenchen der Quantenpunktkonversionseffizienz zu vermeiden. Je näher der Wert des Abstands benachbarter Quantenpunkte im Bereich dieser unteren Grenze liegt, umso kompakter ist das Konversionselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenpunkte eine große Stokes-Verschiebung auf, um Selbstabsorptionsverluste zu vermeiden. Dieser Punkt ist wesentlich für die Bauelementeffizienz in einem Konversionselement, das eine hohe Konzentration an Quantenpunkten aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anteil der Quantenpunkte in dem Konversionselement größer als 5 Vol%.
Durch Verwendung der hier beschriebenen Quantenpunkte können diese dichter gepackt werden und damit die Schichtdicke des Konversionselements kleiner ausgeformt werden. Quantenpunkte weisen vorzugsweise einen Durchmesser zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 10 nm auf. Die absorbierende Schale kann dicker als 10 nm sein. Dieses hochdicht gepackte Konversionselement mit Quantenpunkten kann vollständig die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung vorzugsweise absorbieren und vollständig konvertieren (Vollkonversion).
Um jedoch eine hohe Effizienz des Bauelements zu erzielen, müssen Energietransfer und Quenchingprozesse zwischen den einzelnen Quantenpunkten verhindert werden. Dies kann durch die hier angegebene anorganische Verkapselung erfolgen, so dass ein Abstand zwischen den emittierenden Kernen der Quantenpunkte insbesondere zwischen 5 nm und 10 nm beträgt. Zudem wirkt die anorganische Verkapselung als Schutz gegen Wasserdampf und Sauerstoff, also Umwelteinflüsse, insbesondere während der Herstellung der Auftragung, der Lithografie oder des Druckprozesses. Um ein hochkompaktes Konversionselement zu erzeugen, ist insbesondere die anorganische Verkapselung dick genug, um Degradationen durch Umwelteinflüsse und Quenchingeffekte zu vermeiden. Die anorganische Verkapselung ist insbesondere nicht zu dick, um ein Konversionselement mit dünner Schichtdicke zu erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip auf. Das optoelektronische Bauelement kann auch mehr als einen Halbleiterchip, beispielsweise zwei oder drei Halbleiterchips aufweisen. Der zumindest eine Halbleiterchip umfasst eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um Al_xGa_1-xAs handeln, mit 0 ≤ x ≤ 1. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Das optoelektronische Bauelement weist eine aktive Schicht auf, in der eine elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Eine Wellenlänge oder das Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren und/oder IR-Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 680 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 440 nm und einschließlich 480 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Leuchtdiode, kurz LED.
Das optoelektronische Bauelement ist dann bevorzugt dazu eingerichtet, blaues, rotes, grünes, orangefarbenes oder weißes Licht zu emittieren.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass zu den optoelektronischen Bauelementen nicht nur fertige Bauelemente, wie beispielsweise fertige LEDs oder Laserdioden, zählen, sondern auch Substrate und/oder Halbleiterschichten, so dass beispielsweise bereits ein Verbund einer Kupferschicht und einer Halbleiterschicht ein optoelektronisches Bauelement darstellen und ein Bestandteil eines übergeordneten zweiten optoelektronischen Bauelements bilden kann, in dem beispielsweise zusätzlich elektrische Anschlüsse vorhanden sind. Der Halbleiterchip kann insbesondere ein Dünnfilmleuchtdiodenchip sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine Strahlungsaustrittsfläche auf. Die Strahlungsaustrittsfläche ist vorzugsweise senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips orientiert. Bevorzugt sendet der Halbleiterchip elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten oder blauen Wellenlängenbereich aus, wobei diese Strahlung über die Strahlungsaustrittsfläche aus dem optoelektronischen Bauelement ausgekoppelt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement in direktem elektrischen oder mechanischen Kontakt zur Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet. Zusätzlich kann das Konversionselement auch die Seitenflächen, also die parallel zur Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge orientierten Flächen des Halbleiterchips, bedecken. Mit anderen Worten umgibt das Konversionselement den Halbleiterchip vorzugsweise stoff- und formschlüssig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement ein Konversionselement auf. Das Konversionselement weist Quantenpunkte auf oder besteht aus diesen. Insbesondere ist das Konversionselement frei von einer Matrix. Mit anderen Worten bildet hier die anorganische Verkapselung die Matrix oder das Matrixmaterial.
Die Quantenpunkte weisen, oder jeder Quantenpunkt weist, einen wellenlängenkonvertierenden Kern und eine anorganische Verkapselung auf. Die anorganische Verkapselung umgibt den wellenlängenkonvertierenden Kern stoff- und formschlüssig, so dass der wellenlängenkonvertierende Kern vor Umwelteinflüssen und Feuchtigkeit geschützt ist. Zudem ist die anorganische Verkapselung das Matrixmaterial, so dass vorzugsweise kein weiteres Matrixmaterial erforderlich ist. Zudem bildet die anorganische Verkapselung zwischen benachbarten wellenlängenkonvertierenden Kernen einen sogenannten Puffer, so dass Quenchingprozesse oder Energietransferprozesse durch Erzeugung des Abstandes zwischen den wellenlängenkonvertierenden Kernen der jeweiligen Quantenpunkte vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Verkapselung Zentren für die optische Streuung auf, um die optische Weglänge zu erhöhen und so die Absorption in dem Konversionselement zu erhöhen.
Insbesondere weisen benachbarte Quantenpunkte einen Abstand von maximal 50 nm, 40 nm, 30 nm, 20 nm, 15 nm, 12 nm, 11 nm, 10 nm, 9 nm, 8 nm, 7 nm, 6 nm, 5 nm, 4 nm mit einer Toleranz von 1 %, 2 %, 3 %, 4 % oder 5 % Abweichung von diesen eben angegebenen Werten auf. Mit ‚Abstand‘ kann hier der Abstand zwischen benachbarten Quantenpunkten gemeint sein. Hier kann damit insbesondere der Abstand zwischen den jeweiligen Mittelpunkten der Kerne der wellenlängenkonvertierenden Quantenpunkte gemeint sein, also den Kern-Kern-Abstand. Alternativ kann mit ‚Abstand‘ hier vorzugsweise auch der Abstand zwischen den Außenflächen der jeweiligen Kerne gemeint sein (Außenfläche-Außenfläche-Abstand). Insbeondere ist die aktive Quantenpunkt-Oberfläche zur aktiven benachbarten Quantenpunkt-Oberfläche > 10nm, um eine FRET-Energieübertragung zu vermeiden.
Alternativ oder zusätzlich weisen benachbarte Quantenpunkte einen Abstand von minimal 10 nm, 11 nm, 12 nm, 13 nm, 14 nm mit einer Toleranz von 1 %, 2 %, 3 %, 4 % oder 5 % Abweichung von diesen eben angegebenen Werten auf.
Bei den Quantenpunkten handelt es sich insbesondere um ein empfindliches Konversionsmaterial, also ein gegenüber Sauerstoff, Feuchte und/oder sauren Gasen sensitives Konversionsmaterial. Bevorzugt handelt es sich bei den Quantenpunkten um Nanopartikel, das heißt um Teilchen in einem großen Nanometerbereich mit einem Partikeldurchmesser d50 von zum Beispiel zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 1000 nm, insbesondere zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 30 nm, beispielsweise zwischen 5 nm und 15 nm.
Die Quantenpunkte umfassen einen Halbleiterkern, der wellenlängenkonvertierende Eigenschaften aufweist.
Insbesondere umfasst der Kern der Quantenpunkte einen, oder besteht aus einem, III/IV- oder III/V-Halbleiterkörper. Beispielsweise sind die Quantenpunkte oder die Kerne der jeweiligen Quantenpunkte aus einem Material der folgenden Gruppe ausgewählt: Indiumphosphid, Kadmiumsulfid, Kadmiumselinid, Indiumgalliumarsenid, Galliumindiumphosphid, Kupferindiumselinid.
Der Halbleiterkern kann von einer oder mehreren Schichten als Beschichtung ummantelt sein. Die Ummantelung des Halbleiterkerns besteht vorzugsweise aus einer anorganischen Verkapselung. Die Quantenpunkte sind hier vorzugsweise frei von organischen Materialien. Mit anderen Worten kann der Halbleiterkern an dessen Außenfläche eine anorganische Verkapselung aufweisen, die vollständig oder nahezu vollständig den wellenlängenkonvertierenden Kern des jeweiligen Quantenpunktes umgibt.
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. Durch die Variation der Größe der Quantenpunkte kann gezielt die Wellenlänge der konvertierten Strahlung variiert werden und damit für die jeweiligen Anwendungen entsprechend angepasst werden. Die Quantenpunkte können kugelförmig oder stäbchenförmig ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die jeweiligen längenwellenkonvertierenden Kerne benachbarter Quantenpunkte einen Abstand von maximal 15 nm auf. Alternativ kann der Abstand auch mindestens 5 nm, 6 nm, 7 nm oder 8 nm und höchstens 15 nm, 14 nm, 13 nm, 12 nm oder 11 nm sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine Schichtdicke auf, die maximal 30% der Schichtdicke des Halbleiterchips entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schichtdicke des Konversionselements zwischen 0,8 µm und 10 µm oder zwischen 0,1 µm und 10 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Bauelement zur Vollkonversion eingerichtet. Dies bedeutet hier insbesondere, dass die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung vollständig oder nahezu vollständig, also zu mehr als 90%, mehr als 95%, mehr als 99% oder genau 100%, in dem Konversionselement konvertiert wird.
Alternativ kann das Bauelement zur Teilkonversion eingerichtet sein. Dies bedeutet hier, dass die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung von dem Konverterelement nur teilweise konvertiert wird und ein Teil der Strahlung durchgelassen wird, also nicht konvertiert wird, so dass Mischstrahlung aus dem Bauelement austritt. Die Mischstrahlung weist Strahlung, die von dem Halbleiterchip emittiert wird, und Strahlung, die von dem Konversionselement konvertiert wird, auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die wellenlängenkonvertierenden Kerne der jeweiligen Quantenpunkte einen Durchmesser von 5 nm bis 10 nm auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die anorganische Verkapselung der jeweiligen Quantenpunkte einen Durchmesser von 5 nm bis 15 nm auf. Insbesondere ist der Durchmesser der anorganischen Verkapselung im Mittel größer als der Durchmesser der Kerne.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement direkt, also in direktem mechanischen oder elektrischen Kontakt, auf einer Strahlungshauptseite des Halbleiterchips angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schützt die jeweilige anorganische Verkapselung den Kern der Quantenpunkte vor Degradation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die anorganische Verkapselung aus einem Silikat-Sol-Gel-Material über einen nasschemischen Prozess geformt. Vorzugsweise ist die anorganische Verkapselung aus Siliziumdioxid geformt. Alternativ können hier auch andere optisch transparente Oxide, wie Aluminiumoxid, TiO2 oder ZrO verwendet werden.
Alternantiv oder zusätzlich weist die anorganische Verkapselung optische Streuzentren auf, die die optische Weglänge und damit die Absorption in dem Konversionselement erhöhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die anorganische Verkapselung aus TEOS (Tetraethyl orthosilicat) als Precursor oder einem oxidischen Precursormaterial geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenpunkte jeweils einen wellenlängenkovertierenden Kern auf, umgeben von einer anorganischen Verkapselung, die insbesondere eine absorbierende Schutzstruktur bildet. Die wiederum kann von einer Verkapselung umgeben sein, die insbesondere oxidisch ausgeformt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform dient die anorganische Verkapselung zur Verhinderung der Degradation der Quantenpunkte durch Umwelteinflüsse während der Herstellung. Zusätzlich dient die anorganische Verkapselung als mechanischer Binder zwischen benachbarten Quantenpunkten und dem Halbleiterchip. In diesem Fall weist das Konversionselement eine oxidische oder verkapselte Schicht mit darin eingebetteten Quantenpunkten auf.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch das Verwenden der hier beschriebenen Quantenpunkte die Quantenpunkte sehr dicht beieinander angeordnet werden können, ohne dadurch ein Quenchen oder einen Energietransfer zu erzeugen. Dies führt zu einer hohen Konzentration an Quantenpunkten in dem Konversionselement, so dass das Konversionselement dünnschichtig ausgeformt sein kann. Dünnschichtig bedeutet hier insbesondere kleiner als 5 µm.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Vorzugsweise wird mit dem Verfahren das hier beschriebene optoelektronische Bauelement erzeugt. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen für das optoelektronische Bauelement auch für das Verfahren und umgekehrt. In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die folgenden Schritte, insbesondere in der hier angegebenen Reihenfolge, auf:

A) Bereitstellen eines Halbleiterchips, der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist und gegebenenfalls einzelne ansteuerbare Pxiel aufweisen kann;
B) Bereitstellen eines Konversionselements auf dem Halbleiterchip, dazu:
- B1) Bereitstellen einer Vielzahl von wellenlängenkonvertierenden Kernen von Quantenpunkten, die zur Wellenlängenkonversion von Strahlung des Halbleiterchips eingerichtet sind;
- B2) Aufbringen einer anorganischen Teilverkapselung um den jeweiligen Kern;
- B3) Aufbringen einer Lösung des Materials der anorganischen Teilverkapselung auf den Halbleiterchip;
- B4) Reaktion der Lösung des Materials der anorganischen Teilverkapselung mit dem jeweiligen Kern der Quantenpunkte, die von der jeweiligen anorganischen Teilverkapselung umgeben ist, so dass eine anorganische Verkapselung erzeugt wird. Insbesondere umgibt die anorganische Verkapselung den jeweiligen wellenlängenkonvertierenden Kern der Quantenpunkte stoff- und formschlüssig.

Die Schritte B1 bis B4 können in der angegebenen Reichenfolge erfolgen. Alternativ kann B2 auch vor B1 erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Verfahren nasschemisch. Beispielsweise können die Kerne der Quantenpunkte mit Silikat-Sol-Gel-Materialien in einem nasschemischen Zustand bearbeitet werden und auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips aufgebracht werden. Anschließend kann das Konversionselement ausgeformt werden, um die Quantenpunkte mit der anorganischen Verkapselung, vorzugsweise aus Siliziumdioxid oder anderen Oxiden, zu erzeugen. Zudem bildet die anorganische Verkapselung das Matrixmaterial für die Quantenpunkte. Ein weiteres Matrixmaterial ist daher nicht erforderlich. TEOS oder andere oxidische Precursormaterialien können als Sol-Gel-Material verwendet werden.
Durch Verringerung der anorganischen Verkapselung zwischen den wellenlängenkonvertierenden Kernen und zwischen den Kernen und dem Halbleiterchip kann der thermische Pfad für die Stokeswärme vom Konversionsprozess reduziert werden.
Durch die Verbesserung des Wärmepfades kann die Temperatur des Konverters bei gegebenen Betriebsbedingungen reduziert werden, so dass sowohl die temperaturabhängigen Wellenlängenverschiebungen des Konverters typischerweise um ungefähr 0,1 nm/Kelvin als auch die temperaturabhängige Intensitätsquenchung der Quantenpunkte reduziert werden können.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch das Kombinieren der hier beschriebenen Quantenpunkte, die eine große Stokesverschiebung und eine geringe Reabsorption aufweisen, mit einer dünnschichtigen anorganischen Verkapselung ein Bauelement mit einem hohen thermischen Pfad erzeugt werden kann. Der hier beschriebene Abstand zwischen den Kernen der Quantenpunkte verhindert sogar einen nicht strahlenden Energietransfer zwischen den Quantenpunkten, der zu einer reduzierten Effizienz führen würde.
Zudem kann durch die hier beschriebenen Quantenpunkte mit der anorganischen Verkapselung ein Abstand zwischen den Kernen benachbarter Quantenpunkte geschaffen werden und so ein Quenchen, eine Oxidation oder andere chemische Degradation verhindert werden. Zudem ist ein besserer Wärmetransfer der Stokesenergie vom Konversionselement zur Halbleiterchip-Wärmesenkung möglich, so dass negative Temperatureffekte in dem Konversionselement verhindert oder reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement matrixfrei.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1A bis 1F zeigen jeweils Quantenpunkte gemäß einer Ausführungsform oder eines Vergleichsbeispiels.
Die 2A, 2C, 2D zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Konversionselements gemäß einer Ausführungsform.
Die 2B zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
Die 3A bis 3G zeigen eine schematische Seitenansicht 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 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 schematische Seitenansicht eines Quantenpunkts 3. Insbesondere ist hier ausschließlich der wellenlängenkonvertierende Kern 31 gezeigt. Der wellenlängenkonvertierende Kern 31 weist Indiumphosphid, Kadminumselenid, Kadmiumsulfid und/oder Kupferindiumselenid oder Kombinationen daraus auf oder besteht daraus.
Gemäß der 1B ist um den wellenlängenkonvertierenden Kern 31 eine anorganische Verkapselung 4 angeordnet. Die anorganische Verkapselung kann beispielsweise aus Siliziumdioxid oder SolGel-Oxide (z.B. TEOS basiert) geformt sein. Um die anorganische Verkapselung 4 kann, wie in dem Fall hier, ein Matrixmaterial 5 angeordnet sein.
Die Quantenpunkte können einen Kern aus CdSe oder InP mit einem Durchmesser von 2-10nm aufweisen. Damit können die Emissionsspektren definiert werden. Der Kern kann von einer CdS oder ZnS-Hülle umgeben sein, die die optische Absorption definiert und den Kern schützt.
Die Quantenpunkte können in ein Oxid zum Schutz vor der Umwelt eingekapselt sein.
Das Oxid kann zusammenwachsen, um die Matrix zu bilden sowie die individuellen Quantenpunkte zu schützen und sicherzustellen, dass die äußere Quantenpunkt-Oberflächen durch > 10nm getrennt sind.
Gemäß der 1C ist ein Quantenpunkt 3 gezeigt, der einen wellenlängenkonvertierenden Kern 31 und eine anorganische Verkapselung 4 aufweist. Die anorganische Verkapselung 4, die ausschließlich aus anorganischen Materialien besteht, also keine organischen Materialien enthält, umgibt den wellenlängenkonvertierenden Kern 31 stoff- und formschlüssig.
Gemäß der 1D ist hier ein Quantenpunkt gezeigt, der den Durchmesser d_K des wellenlängenkonvertierenden Kerns 31 aufweist. Zudem ist der Durchmesser der anorganischen Verkapselung 4 d_V gezeigt. Diese Durchmesser sind insbesondere anzunehmen, wenn die Quantenpunkte als sphärische Kugeln ausgeformt sind. Alternativ können diese Durchmesser auch gelten, wenn die Quantenpunkte stäbchenförmig ausgebildet sind.
Die 1E zeigen den Abstand von benachbarten Quantenpunkten. Mit ‚Abstand von benachbarten Quantenpunkten‘ kann der kürzeste Abstand von benachbarten wellenlängenkonvertierenden Kernen 31, gemessen vom Mittelpunkt des jeweiligen wellenlängenkonvertierenden Kerns, gemeint sein (d_maxK ). Alternativ kann insbesondere auch der kürzeste Abstand zwischen den jeweiligen Außenseiten oder Außenflächen der wellenlängenkonvertierenden Kerne 31 gemeint sein (d_maxKA ) .
Die 1F zeigt den Abstand zwischen benachbarten Quantenpunkten (d_maxVV ), also den kürzesten Abstand, der von den Außenseiten der anorganischen Verkapselung der jeweiligen Quantenpunkte gemessen wird. Insbesondere ist d_maxVV < 10 nm.
Die 2A zeigt eine schematische Seitenansicht eines Konversionselements gemäß einer Ausführungsform. Hier sind vier Quantenpunkte 3 gezeigt. Jeder Quantenpunkt weist einen wellenlängenkonvertierenden Kern 31 und eine anorganische Verkapselung 4 auf. Die anorganische Verkapselung umgibt den jeweiligen wellenlängenkonvertierenden Kern 31 stoff- und formschlüssig. Um die Verkapselung 4 kann ein Matrixmaterial 5 vorhanden sein. Vorzugsweise ist das Matrixmaterial 5 aus dem gleichen Material wie die anorganische Verkapselung 4 geformt. Mit anderen Worten verbindet die anorganische Verkapselung 4 die Quantenpunkte untereinander, so dass auf weitere Matrixmaterialien verzichtet werden kann. Zudem weisen die Quantenpunkte einen minimalen Abstand oder einen maximalen Abstand von beispielsweise 10 nm auf, mit einer Toleranz von 1 %, 2 %, 3 %, 4 % oder 5 % Abweichung von diesem Wert.
Die 2B zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Hier ist ein Halbleiterchip 1 gezeigt, der zur Emission von Strahlung, insbesondere Strahlung aus dem blauen Wellenlängenbereich, eingerichtet ist. Auf dem Halbleiterchip 1, insbesondere direkt auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1, ist ein Konversionselement 2 angeordnet. Das Konversionselement 2 weist die hier beschriebenen Quantenpunkte mit dem wellenlängenkonvertierenden Kern 31 und der anorganischen Verkapselung 4 auf. Die Schichtdicke des Halbleiterchips 1 l_H ist dabei um ein Vielfaches größer als die Schichtdicke des Konversionselements 2 l_K . Vorzugsweise weist das Konversionselement 2 eine Schichtdicke auf, die maximal 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 % oder 60 % der Schichtdicke des Halbleiterchips entspricht. Beispielsweise weist die Schichtdicke des Halbleiterchips eine Dicke von 5 µm auf. Dann weist beispielsweise die Schichtdicke des Konversionselements 2 eine Schichtdicke von ungefähr 1 µm auf. Alternativ kann die Relation auch zwischen dem Pixel „Footprint“ (x-y-Dimension) und der Konversionselementdicke (z) erfolgen. Für 5×5µm Pixel ist die Schichtdicke des Konversionselements dann beispielsweise kleiner als 5 µm.
Die 2C zeigt eine schematische Seitenansicht eines Konversionselements 2 gemäß einer Ausführungsform. Hier sind die Quantenpunkte mit dem wellenlängenkonvertierenden Kern 31 und der anorganischen Verkapselung 4 in direktem mechanischen oder elektrischen Kontakt zueinander angeordnet.
Im Vergleich dazu zeigt die 2D, dass die anorganischen Verkapselungen 4 der jeweiligen Quantenpunkte, die benachbart zueinander angeordnet sind, in räumlichem Abstand zueinander liegen. Die Zwischenbereiche zwischen benachbarten anorganischen Verkapselungen können mit einem Material, das gleich dem Material der anorganischen Verkapselung ist, ausgefüllt sein.
Die 3A bis 3G zeigen eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform.
Das Bauelement der 3A weist einen Träger 7 auf, auf dem ein Halbleiterchip 1 angeordnet ist. Der Halbleiterchip 1 ist zur Emission von Strahlung, insbesondere Strahlung aus dem blauen Wellenlängenbereich, eingerichtet. Der Halbleiterchip 1 kann pixiliert sein. Im Strahlengang des Halbleiterchips 1 ist das Konversionselement 2 insbesondere direkt auf der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet. Die Seitenflächen des Halbleiterchips 1 und des Konversionselements 2 sind von einem Reflexionselement 6 umgeben. Das Reflexionselement 6 kann Silikon und darin eingebettete Streupartikel, wie beispielsweise Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid, aufweisen.
Wie in 3B gezeigt, ist auf einem Halbleiterchip 1 ein Konversionselement 2 und darauf eine Linse 8 angeordnet. Die Linse 8 kann beispielsweise aus Silikon geformt sein.
Gemäß der 3C weist der Träger 7 eine größere laterale Ausdehnung als die laterale Ausdehnung des Halbleiterchips 1 und des Konversionselements 2 auf. Die laterale Ausdehnung des Halbleiterchips 1 und des Konversionselements 2 ist in dem Fall gleich groß, kann aber auch unterschiedlich sein. Beispielsweise kann das Konversionselement 2 den Halbleiterchip 1 überragen.
Gemäß der 3D umgibt das Konversionselement 2 die Strahlungsaustrittsfläche und die Seitenfläche des Halbleiterchips 1 stoff- und formschlüssig. Mit anderen Worten umrandet das Konversionselement 2 vollständig den Halbleiterchip 1.
Gemäß der 3E weist das Bauelement ein Gehäuse 21 mit einer Ausnehmung 10 auf. In der Ausnehmung 10 ist der Halbleiterchip 1 angeordnet. Der Halbleiterchip 1 kann innerhalb der Ausnehmung 10 mit einem Vergussmaterial 9 vergossen sein. Beabstandet zum Halbleiterchip 1 kann das Konversionselement 2 auf dem Gehäuse 21 angeordnet sein.
Gemäß der 3F umgibt das Konversionselement 2 innerhalb eines Gehäuses 21 die Seitenflächen und Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 vollständig. Zusätzlich kann das Konversionselement 2 mit einem Verguss 9 innerhalb der Ausnehmung versehen sein.
Gemäß der 3G ist der Halbleiterchip 1 vollständig in das Konversionselement 2 eingebettet. Im Vergleich zu dem Bauelement der 3D fehlt der Träger 7.
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: Halbleiterchip
2: Konversionselement
3: Quantenpunkte
31: wellenlängenkonvertierender Kern
4: anorganische Verkapselung
5: Matrixmaterial
d_K: Durchmesser des jeweiligen Kerns
d_v: Durchmesser der jeweiligen anorganischen Verkapselung
l_K: Schichtdicke des Konversionselements
l_H: Schichtdicke des Halbleiterchips
d_maxK: maximaler Abstand benachbarter Kerne gemessen von den jeweiligen Zentren der Kerne
d_maxKA: maximaler Abstand benachbarter Kerne gemessen von den Außenseiten der Kerne
d_maxVV: maximaler Abstand der anorganischen Verkapselung gemessen von den Außenseiten der jeweiligen anorganischen Verkapselung
6: Reflexionselement
7: Träger
21: Gehäuse
8: Linse
9: Verguss
10: Ausnehmung

Claims

Optoelektronisches Bauelement (100) umfassend - einen Halbleiterchip (1), der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist, - ein Konversionselement (2), das Quantenpunkte (3) aufweist und die zur Wellenlängenkonversion von Strahlung eingerichtet sind, wobei die Quantenpunkte (3) jeweils einen wellenlängenkonvertierenden Kern (31) und eine anorganische Verkapselung (4) aufweisen, wobei die anorganische Verkapselung (4) das Matrixmaterial zumindest benachbarter Quantenpunkte (3) bildet, wobei benachbarte Quantenpunkte (3) einen Abstand von minimal 10 nm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen wellenlängenkonvertierenden Kerne (31) benachbarter Quantenpunkte (3) einen Abstand von minimal 10 nm und/oder maximal 15 nm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (2) eine Schichtdicke aufweist, die maximal 30% der Schichtdicke des Halbleiterchips (1) entspricht.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke des Konversionselements (2) zwischen 0,1 µm und 10 µm ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kerne der jeweiligen Quantenpunkte (3) aus einem Material der folgenden Gruppe ausgewählt sind, die InP, CdS, CdSe, InGaAs, GaInP und CuInSe2 umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement zur Vollkonversion eingerichtet ist, so dass die von dem Halbleiterchip (1) emittierte Strahlung vollständig in dem Konversionselement (2) konvertiert wird.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (1) pixiliert ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen wellenlängenkonvertierenden Kerne (31) der Quantenpunkte (3) einen Durchmesser von 5 nm bis 10 nm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anorganische Verkapselung (4) des jeweiligen Quantenpunkts (3) einen Durchmesser von 5 nm bis 15 nm aufweist, wobei der Durchmesser der anorganischen Verkapselung (4) im Mittel größer ist als der Durchmesser der Kerne (31).
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (2) direkt auf einer Strahlungshauptseite des Halbleiterchips (1) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige anorganische Verkapselung (4) den jeweiligen Kern (31) der Quantenpunkte (3) vor Degradation schützt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige anorganische Verkapselung (4) aus einem Silikat-Sol-Gel-Material über einen nasschemischen Prozess geformt ist und/oder wobei die anorganische Verkapselung (4) optische Streuzentren aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige anorganische Verkapselung (4) aus TEOS oder einem oxidischen Precursormaterial geformt ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (2) matrixfrei ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14 mit den Schritten: A) Bereitstellen eines Halbleiterchips (1), der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist, B) Bereitstellen eines Konversionselement (2) auf dem Halbleiterchip (1), dazu: B1) Bereitstellen einer Vielzahl von wellenlängenkonvertierenden Kernen (31) von Quantenpunkten (3), die zur Wellenlängenkonversion von Strahlung des Halbleiterchips (1) eingerichtet sind, B2) Aufbringen einer anorganischen Teilverkapselung um den jeweiligen Kern, B3) Aufbringen einer Lösung des Materials der anorganischen Teilverkapselung (41) auf den Halbleiterchip (1), B4) Reaktion der Lösung des Materials der anorganischen Teilverkapselung (41) mit dem jeweiligen Kern der Quantenpunkte, die von der jeweiligen anorganischen Teilverkapselung (41) umgeben sind, so dass eine anorganische Verkapselung (4) erzeugt wird.