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Es werden ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements und ein optoelektronisches Bauelement angegeben.
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Es soll ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben werden, das eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Weiterhin soll ein optoelektronisches Bauelement mit einer erhöhten Lebensdauer angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 und durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und des optoelektronischen Bauelements sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements wird ein strahlungsemittierender Halbleiterchip auf einem Träger bereitgestellt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Träger um einen Anschlussträger, der elektrische Anschlussstellen aufweist, mit denen der strahlungsemittierende Halbleiterchip elektrisch leitend verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens sendet der strahlungsemittierende Halbleiterchip elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aus. Beispielsweise sendet der strahlungsemittierende Halbleiterchip sichtbares Licht, etwa aus dem blauen Spektralbereich aus.
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Bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip kann es sich beispielsweise um einen sogenannten volumenemittierenden Halbleiterchip handeln. Ein volumenemittierender Halbleiterchip weist ein Substrat auf, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven strahlungserzeugenden Zone in der Regel epitaktisch gewachsen wurde. Bevorzugt basiert die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial und ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten bis blauen Spektralbereich zu erzeugen. Nitridverbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1.
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Das Substrat des volumenemittierenden Halbleiterchips kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Saphir, Siliziumcarbid. Ein solches Substrat ist dazu geeignet, als Wachstumssubstrat für eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge zu dienen, die auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert. Außerdem sind diese Substrate transparent oder durchlässig für ultraviolette bis blaue elektromagnetische Strahlung, die in der aktiven Zone einer solchen epitaktischen Halbleiterschichtenfolge erzeugt wird.
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Das Substrat weist in der Regel eine Montagefläche auf, die dazu vorgesehen ist, den volumenemittierenden Halbleiterchip auf ein weiteres Element, wie einen Anschlussträger, zu montieren. Volumenemittierende Halbleiterchips senden die in der aktiven Zone erzeugte Strahlung in der Regel nicht nur über eine Hauptfläche aus, die der Montagefläche gegenüberliegt, sondern auch über ihre Seitenflächen. Mit anderen Worten umfasst die Strahlungsaustrittsfläche eines volumenemittierenden Halbleiterchips neben der Hauptfläche, die der Montagefläche gegenüberliegt, auch die Seitenflächen, zumindest bereichsweise. Außerdem weist der volumenemittierende Halbleiterchip in der Regel zwei elektrische Kontakte auf der der Montagefläche gegenüberliegenden Hauptfläche auf.
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Weiterhin kann es sich bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip um einen Flip-Chip handeln. Ein Flip-Chip weist einen Träger mit einer ersten Hauptfläche auf, auf der die Halbleiterschichtenfolge mit der strahlungserzeugenden aktiven Zone epitaktisch gewachsen ist. Der Träger ist in der Regel durchlässig, zumindest für die in der aktiven Zone erzeugte elektromagnetische Strahlung. Beispielsweise weist der Träger eines der folgenden Materialien auf oder ist aus einem der folgenden Materialien gebildet: Saphir, Siliziumcarbid. Der Träger weist eine zweite Hauptfläche auf, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt. Die zweite Hauptfläche des Trägers bildet in der Regel teilweise die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips aus. Weiterhin bilden auch die Seitenflächen des Trägers in der Regel einen Teil der Strahlungsaustrittsfläche des Flip-Chips aus. An der Rückseite des Flip-Chips sind in der Regel zwei elektrische Kontakte angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips vorgesehen sind. Die Vorderseite des Flip-Chips ist in der Regel frei von elektrischen Kontakten.
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Weiterhin kann es sich bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip auch um Dünnfilm-Halbleiterchips handeln. Der Dünnfilm-Halbleiterchip weist eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtfolge auf, die auf einen anderen Träger aufgebracht ist, als das Wachstumssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge. Besonders bevorzugt ist zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Träger eine Spiegelschicht angeordnet, die Strahlung der aktiven Zone zur Lichtaustrittsfläche lenkt. Dünnfilm-Halbleiterchips senden die elektromagnetische Strahlung, die im Betrieb in der aktiven Zone erzeugt wird, in der Regel nicht über die Seitenflächen des Trägers aus, sondern haben eine im Wesentlichen Lambert'sche Abstrahlcharakteristik.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Einzelkonversionsschichten über der Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips mittels Sprühbeschichten aufeinander aufgebracht. Beim Sprühbeschichten (englisch „spray coating“) wird eine abzuscheidende Flüssigkeit mit einer Düse auf das zu beschichtende Element aufgesprüht.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die Einzelkonversionsschichten ein Harz mit Leuchtstoffpartikeln auf. Mit anderen Worten wird bei dem vorliegenden Verfahren bevorzugt ein zunächst flüssiges Harz, wie beispielsweise Silikon, in dem Leuchtstoffpartikel verteilt sind, durch Sprühbeschichten über der Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips in Einzelkonversionsschichten abgeschieden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Einzelkonversionsschichten durch Sprühbeschichten einer flüssigen Harz/Leuchtstoff-Mischung auf/über der Strahlungsaustrittsfläche abgeschieden. Die Leuchtstoffpartikel sind besonders bevorzugt dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist. Die Leuchtstoffpartikel verleihen der Einzelkonversionsschicht und auch einer fertigen Konversionsschicht die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften.
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Mit dem Begriff „wellenlängenkonvertierend“ ist vorliegend insbesondere gemeint, dass eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines anderen, bevorzugt längerwelligen, Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. In der Regel absorbiert ein wellenlängenkonvertierendes Element elektromagnetische Strahlung eines eingestrahlten Wellenlängenbereiches, wandelt diese durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in elektromagnetische Strahlung eines anderen Wellenlängenbereiches um und sendet die umgewandelte elektromagnetische Strahlung wieder aus. Insbesondere wird reine Streuung oder reine Absorption vorliegend nicht als wellenlängenkonvertierend verstanden.
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Die Einzelkonversionsschichten können nur eine einzige Leuchtstoffsorte aufweisen, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umwandeln.
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Beispielweise wandeln die Leuchtstoffpartikel ultraviolettes bis blaues Licht in gelb-grünes Licht um.
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Weiterhin ist es auch möglich, dass die Einzelkonversionsschichten mehrere Sorten an Leuchtstoffpartikeln aufweisen, die unterschiedliche wellenlängenkonvertierende Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise weisen die Einzelkonversionsschichten eine Sorte an Leuchtstoffpartikeln auf, die ultraviolettes bis blaues Licht in gelb-grünes Licht umwandeln, und eine weitere Sorte an Leuchtstoffpartikeln auf, die ultraviolettes bis blaues Licht in rotes Licht umwandeln. Die verschiedenen Sorten an Leuchtstoffpartikeln können hierbei in allen Einzelkonversionsschichten enthalten sein oder auch getrennt in verschiedenen Einzelkonversionsschichten.
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Für die Leuchtstoffpartikel ist beispielsweise eines der folgenden Materialien geeignet: mit seltenen Erden dotierte Granate, mit seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit seltenen Erden dotierte Aluminate, mit seltenen Erden dotierte Silikate, mit seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit seltenen Erden dotierte Oxynitride, mit seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, mit seltenen Erden dotierte Sialone.
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Die Leuchtstoffpartikel weisen beispielsweise einen Durchmesser zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 30 Mikrometer auf.
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Bevorzugt sind die Leuchtstoffpartikel dazu geeignet, Licht aus dem ultravioletten bis blauen Spektralbereich in Licht aus dem grünen bis gelben Spektralbereich oder in Licht aus dem roten Spektralbereich umzuwandeln.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Einzelkonversionsschichten durch Sprühbeschichten der gleichen Harz/Leuchtstoff-Mischung gebildet. In diesem Fall weisen die Einzelkonversionsschichten das gleiche Harz und die gleichen Leuchtstoffpartikel auf. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Harz/Leuchtstoff-Mischung zwischen den Sprühschritten zur Erzeugung der Einzelkonversionsschichten nicht gewechselt werden muss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Einzelkonversionsschichten durch Sprühbeschichten verschiedener Harz/Leuchtstoff-Mischungen gebildet. Insbesondere können die Leuchtstoffpartikel der jeweiligen Harz/Leuchtstoff-Mischungen verschieden voneinander sein, während das Harz gleich ist. Bevorzugt unterscheiden sich die Leuchtstoffpartikel hinsichtlich ihrer wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Beispielsweise wandeln die Leuchtstoffpartikel einer der Einzelkonversionsschichten elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs um, während die Leuchtstoffpartikel einer anderen Einzelkonversionsschicht elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umwandelt, der von dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist. So können in einer der Einzelkonversionsschichten Leuchtstoffpartikel enthalten sein, die blaues Licht in grün-gelbes Licht umwandeln, während in einer weiteren Einzelkonversionsschicht Leuchtstoffpartikel enthalten sind, die blaues Licht in rotes Licht umwandeln. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, den Farbort der mit der fertigen Konversionsschicht erzeugten Lichts besonders gut einstellen zu können.
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Besonders bevorzugt wird jede Einzelkonversionsschicht vor dem Aufbringen der nächsten Einzelkonversionsschicht nicht ausgehärtet. Mit anderen Worten befindet sich die Einzelkonversionsschicht in einem flüssigen Zustand, wenn die nächste Einzelkonversionsschicht aufgebracht wird. Die Einzelkonversionsschicht weist also bevorzugt keine feste Grenzfläche auf, wenn die nächste Einzelkonversionsschicht aufgebracht wird, so dass sich zwei direkt aufeinander aufgebrachte Einzelkonversionsschichten miteinander vermischen können. Insbesondere können Leuchtstoffpartikel, die innerhalb einer Einzelkonversionsschicht angeordnet sind, in eine andere Einzelkonversionsschicht sedimentieren.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden sämtliche Einzelkonversionsschichten nach dem Aufsprühen aller vorgesehener Einzelkonversionsschichten zusammen angehärtet oder ausgehärtet, so dass sich eine Konversionsschicht ausbildet. Die Konversionsschicht weist bevorzugt eine feste Außenfläche als Grenzfläche auf, die beim Anhärten oder Aushärten entsteht.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist die ausgehärtete Konversionsschicht eine Dicke zwischen einschließlich 5 Mikrometer und einschließlich 50 Mikrometer auf.
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Das Harz der Einzelkonversionsschichten umfasst in der Regel eine Vielzahl an Monomeren. Im völlig ungehärteten Zustand des Harzes sind die Monomere nicht durch chemische Bindungen miteinander verbunden und das Harz ist flüssig. Bei der Polymerisation, die zum Beispiel durch UV-Licht oder Wärme ausgelöst werden kann, reagieren Monomere chemisch miteinander und bilden chemische Bindungen aus. Der Begriff „angehärtet“ bedeutet, dass die Monomere des Harzes nicht vollständig polymerisiert sind, aber bereits eine durchgehende Schicht mit fester Außenfläche ausbilden. Wenn die Polymerisation des Harzes weiter fortschreitet, ist schließlich ein überwiegender Teil der Monomere durch chemische Bindungen miteinander verbunden. Dieser Zustand des Harzes wird vorliegend auch als „vollständig ausgehärtet“ bezeichnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Leuchtstoffpartikel in dem Harz sedimentiert. Hierbei erfolgt die Sedimentation zweckmäßigerweise, bevor das Harz angehärtet oder ausgehärtet wird und noch im flüssigen Zustand vorliegt.
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Bei der Sedimentation werden die Leuchtstoffpartikel in das flüssige Harz eingebracht. Die zu beschichtende Oberfläche wird in einem Volumen bereitgestellt, das mit der Mischung aus Harz und Leuchtstoffpartikeln befüllt wird. Anschließend setzen sich die Leuchtstoffpartikel aufgrund der Schwerkraft auf der zu beschichtenden Oberfläche in Form einer sedimentierten Partikelschicht ab, über der sich eine Verarmungsschicht bildet. Die angehärtete oder ausgehärtete Konversionsschicht setzt sich also bevorzugt aus einer sedimentierten Partikelschicht und einer Verarmungsschicht zusammen.
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Ein Kennzeichen einer Konversionsschicht, die mittels Sedimentation abgeschieden wurde, besteht darin, dass sämtliche Oberflächen, auf denen sich die Leuchtstoffpartikel aufgrund der Schwerkraft absetzen können, mit der sedimentierten Partikelschicht beschichtet werden. Weiterhin stehen die Leuchtstoffpartikel der sedimentierten Partikelschicht in der Regel in direktem Kontakt miteinander. Beispielsweise weist die sedimentierte Partikelschicht eine Partikeldichte zwischen einschließlich 20 Vol.-% und einschließlich 35 Vol.-% auf.
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Die Verarmungsschicht der Konversionsschicht umfasst bevorzugt im Wesentlichen Harz und ist im Wesentlichen frei von Leuchtstoffpartikeln. Bevorzugt weisen die Leuchtstoffpartikel in der Verarmungsschicht einen Volumenanteil von höchstens 1 % auf.
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Das Absetzen der Leuchtstoffpartikel bei der Sedimentation kann durch Zentrifugieren mit Vorteil beschleunigt werden. Auch die Verwendung eines verdünnten Harzes oder eines Harzes mit möglichst niedriger Viskosität beschleunigt die Sedimentation in der Regel mit Vorteil.
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Die Viskosität eines flüssigen, ungehärteten Harzes ist in der Regel von der Temperatur abhängig. Bevorzugt wird die Temperatur des Harzes bei der Sedimentation so eingestellt, dass das flüssige ungehärtete Harz eine möglichst niedrige Viskosität aufweist. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur des Harzes derart eingestellt, dass das Harz bei der Sedimentation der Leuchtstoffpartikel eine Viskosität aufweist, die höchstens 5 % von der niedrigsten Viskosität des Harzes abweicht. Auf diese Art und Weise kann eine besonders effiziente Sedimentation der Leuchtstoffpartikel erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Träger während der Sedimentation geheizt, um die Viskosität des Harzes auf den gewünschten Wert einzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Sedimentation der Leuchtstoffpartikel durch Zentrifugation beschleunigt. Durch die Zentrifugation wirken neben der Gewichtskraft auch Zentrifugalkräfte auf die Leuchtstoffpartikel ein, so dass die Sedimentation beschleunigt stattfindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein optisches Element auf oder über die Konversionsschicht aufgebracht. Bei dem optischen Element kann es sich um eine Linse handeln, die die Abstrahlcharakteristik des fertigen optoelektronischen Bauelements auf gewünschte Art und Weise einstellt.
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Das vorliegende Verfahren beruht auf der Idee, die Einzelkonversionsschichten, aus denen die spätere fertige Konversionsschicht gebildet wird, zwischen dem Aufbringen der Einzelkonversionsschicht nicht auszuhärten, sondern alle Einzelkonversionsschichten nach dem Abscheiden gemeinsam auszuhärten. Auf diese Art und Weise kann eine fertige Konversionsschicht mit einer besonders glatten Außenfläche erzielt werden.
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Besonders bevorzugt weist die Konversionsschicht an der Außenfläche keine Leuchtstoffpartikel auf. Vielmehr ist die Außenfläche der Konversionsschicht bevorzugt zu zumindest 95 % durch das ausgehärtete Harz gebildet. Besonders bevorzugt ist die Außenfläche der Konversionsschicht vollständig aus dem Harz gebildet und frei von Leuchtstoffpartikeln. Eine derartige Außenfläche der Konversionsschicht eignet sich besonders gut dazu, mit einem optischen Element, wie beispielsweise einer Linse, versehen zu werden, die in direktem Kontakt mit der Außenfläche der Konversionsschicht steht. Auf diese Art und Weise werden Bereiche mit erhöhter Temperatur (Hot Spots) an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element und der Konversionsschicht, die im Betrieb des Bauelements aufgrund der Leuchtstoffpartikel entstehen, vermieden. Dies führt zu einer erhöhten Lebensdauer der Bauelemente, da Defekte des optischen Elements, wie beispielsweise Linsenrisse, zumindest vermindert werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Einzelkonversionsschichten zusammen angehärtet oder ausgehärtet, so dass sich eine Konversionsschicht ausbildet. Dann wird auf die Außenfläche der Konversionsschicht eine transparente Pufferschicht aufgebracht. Die transparente Pufferschicht wird besonders bevorzugt in direktem Kontakt auf die Konversionsschicht aufgebracht. Weiterhin wird die transparente Pufferschicht bevorzugt vollflächig auf die Konversionsschicht aufgebracht. Die transparente Pufferschicht weist bevorzugt ein Harz auf oder ist aus einem Harz gebildet. Beispielsweise weist die transparente Pufferschicht ein Silikon auf oder ist aus einem Silikon gebildet, bevorzugt aus dem gleichen Silikon wie die Einzelkonversionsschichten. Besonders bevorzugt wird die transparente Pufferschicht ebenfalls durch Sprühbeschichten aufgebracht. Nach dem Aufbringen der transparenten Pufferschicht wird diese bevorzugt ausgehärtet.
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Mit dem Begriff „transparent“ ist vorliegend gemeint, dass das so bezeichnete Element mindestens 85 %, bevorzugt mindestens 90 % und besonders bevorzugt mindestens 95 % eingestrahlter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere des ersten Wellenlängenbereichs und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs, transmittiert.
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Beispielsweise weist die transparente Pufferschicht eine Dicke zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 5 Mikrometer auf. Bevorzugt ist die Dicke der transparenten Pufferschicht nicht größer als 2 Mikrometer.
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Die transparente Pufferschicht bettet mit Vorteil eventuell an der Außenfläche der Konversionsschicht angeordnete Leuchtstoffpartikel ein und trägt so mit Vorteil zur Vermeidung von Hot Spots bei.
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Das vorliegend beschriebene Verfahren ist dazu geeignet, ein optoelektronisches Bauelement herzustellen. Ausführungsformen und Merkmale, die vorliegend in Verbindung mit dem Verfahren beschrieben sind, können ebenfalls bei dem optoelektronischen Bauelement Anwendung finden und umgekehrt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, der ultraviolettes bis blaues Licht als elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet. Außerdem weist das optoelektronische Bauelement eine Konversionsschicht auf, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in zumindest einen weiteren Wellenlängenbereich umwandelt, der von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist.
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Beispielsweise wandelt die Konversionsschicht blaues Licht des Halbleiterchips teilweise in gelb-grünes Licht und/oder in rotes Licht um, während ein Teil des blauen Lichts die Konversionsschicht unkonvertiert durchläuft. Das optoelektronische Bauelement sendet in diesem Fall bevorzugt mischfarbiges Licht aus, das sich aus unkonvertierter blauer Strahlung des Halbleiterchips und gelb-grüner und/oder roter konvertierter Strahlung zusammensetzt. Bevorzugt weist das mischfarbige Licht einen Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement dazu ausgelegt, mit mindestens 1000 mA bestromt zu werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Die schematischen Schnittdarstellungen der 1 bis 5 zeigen ein optoelektronisches Bauelement in verschiedenen Stadien bei der Herstellung nach einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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7 zeigt ein Diagramm mit Ergebnissen von Lebensdauertests an optoelektronischen Bauelementen gemäß einer Ausführungsform im Vergleich zu Ergebnissen von Lebensdauertests an herkömmlichen optoelektronischen Bauelementen.
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8 zeigt eine tabellarische Aufstellung über die Ergebnisse von Lebensdauertests an herkömmlichen Bauelementen (Zeilen E) sowie an Bauelementen gemäß der vorliegenden Anmeldung (Zeilen A bis D).
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 wird ein strahlungsemittierender Halbleiterchip 1 auf einem Träger 2 bereitgestellt (1). Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 1 sendet im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche 3 aus. Bei der Strahlungsaustrittsfläche 3 kann es sich beispielsweise um eine Hauptfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 1 handeln, die einer Montagefläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 1 gegenüberliegt. Weiterhin ist es auch möglich, dass Seitenflächen des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 1 dazu geeignet sind, elektromagnetische Strahlung des Halbleiterchips 1 auszusenden und folglich einen Teil der Strahlungsaustrittsfläche 3 zu bilden.
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In einem nächsten Schritt, der schematisch in 2 dargestellt ist, wird eine Einzelkonversionsschicht 4 mit Sprühbeschichten auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1 aufgebracht. Hierbei wird eine Mischung aus einem Harz 5, bevorzugt einem Silikon, und Leuchtstoffpartikeln 6 hergestellt und durch eine Düse auf die zu beschichtende Oberfläche gesprüht.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bedeckt die aufgesprühte Einzelkonversionsschicht 4 die von der Montagefläche abgewandte Hauptfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 1, die Seitenflächen des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 1 und eine Oberfläche des Trägers 2.
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Wie beispielsweise schematisch in 3 dargestellt ist, werden auf die Einzelkonversionsschicht 4 weitere Einzelkonversionsschichten 4', 4"" aufgebracht, ebenfalls mittels Sprühbeschichten. Hierbei werden die Einzelkonversionsschichten 4, 4', 4" vor dem Aufbringen der nächsten Einzelkonversionsschicht 4, 4', 4" nicht angehärtet oder ausgehärtet. Daher vermischen sich die Einzelkonversionsschichten 4, 4', 4" im Laufe der Zeit zumindest teilweise miteinander.
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In einem nächsten Schritt, der schematisch in 4 dargestellt ist, werden die Leuchtstoffpartikel 6 in den Einzelkonversionsschichten 4, 4', 4" sedimentiert. Hierzu kann einfach abgewartet werden, so dass sich die Leuchtstoffpartikel 6 in dem flüssigen Harz 5 aufgrund der Schwerkraft absetzen. Die Sedimentation der Leuchtstoffpartikel 6 können aber auch durch Zentrifugation beschleunigt werden. Nach der Sedimentation wird das Harz 5 ausgehärtet, so dass eine Konversionsschicht 7 entsteht, die eine feste Außenfläche aufweist.
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Bei der Sedimentation der Leuchtstoffpartikel 6 in dem Harz 5 bilden sich innerhalb der Konversionsschicht 7 eine sedimentierte Partikelschicht 8 und eine Verarmungsschicht 9 aus. In der sedimentierten Partikelschicht 8 sind die Leuchtstoffpartikeln 6 akkumuliert, während die Verarmungsschicht 9 im Wesentlichen aus dem Harz 5 gebildet ist. Die sedimentierte Partikelschicht 8 ist der Verarmungsschicht 9 hierbei in Richtung der Gravitationskraft nachgeordnet.
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In einem nächsten Schritt, der schematisch in 5 dargestellt wird, wird auf eine Außenfläche der Konversionsschicht 7 eine transparente Pufferschicht 10 aufgebracht, bevorzugt mit Sprühbeschichten. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die transparente Pufferschicht 10 aus einem Silikon gebildet, beispielsweise aus dem gleichen Silikon, das die Einzelkonversionsschichten 4, 4', 4" aufweisen.
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In einem nächsten Schritt wird ein optisches Element 11, vorliegend eine Linse, auf die transparente Pufferschicht 10 aufgebracht. Die Linse ist hierbei dazu eingerichtet, die Abstrahlcharakteristik von Licht, das von der Konversionsschicht 7 abgestrahlt wird, auf gewünschte Art und Weise einzustellen. Vorliegend ist die Linse mittig auf der transparenten Pufferschicht 10 über dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1 angeordnet.
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Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 kann beispielsweise mit einem Verfahren hergestellt werden, wie es anhand der 1 bis 5 bereits beschrieben wurde.
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Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 weist einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1 auf, der auf einem Träger 2 aufgebracht ist. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 1 sendet elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von seiner Strahlungsaustrittsfläche 3 aus.
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Die Seitenflächen des Halbleiterchips 1 sowie die Strahlungsaustrittsfläche 3 und eine Oberfläche des Trägers 2 sind mit einer sedimentierten Partikelschicht 8 bedeckt, in der die Leuchtstoffpartikel 6 akkumuliert sind.
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Das optoelektronische Bauelement gemäß der 6 weist weiterhin eine Konversionsschicht 7 auf, in der Leuchtstoffpartikel 6 auf eine Oberfläche des Halbleiterchips 1 und auf eine Oberfläche des Trägers 2 in Form einer sedimentierten Partikelschicht 8 sedimentiert sind. Das restliche Volumen der Konversionsschicht 7 ist durch eine Verarmungsschicht 9 gebildet und im Wesentlichen frei von Leuchtstoffpartikeln 6. Bevorzugt weist die Verarmungsschicht 9 lediglich 5 % an Leuchtstoffpartikel 6 auf.
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Auf eine Außenfläche der Konversionsschicht 7 ist eine transparente Pufferschicht 10 vollflächig aufgebracht. Mittig auf der transparenten Pufferschicht 10 über dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1 ist eine Linse angeordnet. Die Linse ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung, die von dem Halbleiterchip 1 ausgesandt und/oder von den Leuchtstoffpartikeln 6 der sedimentierten Partikelschicht 8 konvertiert ist, auf gewünschte Art und Weise zu beeinflussen.
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Das Diagramm gemäß der 7 zeigt Testergebnisse von Lebensdauertests an sieben herkömmlichen optoelektronischen Bauelementen (gefüllte Kreise) im Vergleich zu sieben optoelektronischen Bauelementen, die mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt wurden (offene Kreise). Auf der x-Achse ist hierbei die Zeit t in Stunden aufgetragen und auf der y-Achse der prozentuale Anteil an defekten Bauelementen.
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Die optoelektronischen Bauelemente, die mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt wurden, weisen hierbei insbesondere eine Konversionsschicht 7 auf, die aus gesprühten Einzelkonversionsschichten 4, 4', 4" erzeugt wurde, wobei die Einzelkonversionsschichten 4, 4', 4" jeweils vor dem Aufbringen der nächsten Einzelkonversionsschicht 4, 4', 4" nicht angehärtet oder ausgehärtet werden. Auf der Konversionsschicht 7 ist eine Linse 11 angeordnet.
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Die optoelektronischen Bauelemente wurden bei dem Test mit einem Strom von 1500 Milliampere betrieben und mit einer Temperatur von 125 °C beaufschlagt. Die Lebensdauertests wurden über einen Zeitraum von 2000 Stunden durchgeführt. Es wurde während diesem Zeitraum festgehalten, wenn die Linse 11 Risse entwickelte.
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Das Diagramm gemäß der 7 zeigt, dass 100 % der herkömmlichen optoelektronischen Bauelemente, nämlich sieben von sieben, nach 774 Stunden Linsenrisse aufweisen, während von den sieben optoelektronischen Bauelementen gemäß der vorliegenden Anmeldung nur eines einen Linsenriss nach 1500 Stunden zeigte.
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Die Tabelle in 8 weist eine erste linke Spalte auf, in der unterschiedliche Testreihen mit den Buchstaben A bis E gekennzeichnet sind. Bei den Testreihen A bis D handelt es sich hierbei um Testreihen an Bauelementen gemäß der vorliegenden Anmeldung, während mit E eine Vergleichstestreihe an herkömmlichen Bauelementen gekennzeichnet ist.
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Die Bauelemente gemäß der vorliegenden Anmeldung, die bei den Testreihen gemäß A bis D verwendet wurden, wiesen hierbei eine transparente Pufferschicht 10 mit einer Dicke kleiner als 2 Mikrometer auf. In der Spalte T[°C] ist die Temperatur aufgeführt, mit der die Bauelemente während des Lebensdauertests beaufschlagt wurden, während in der Spalte I[mA] der Strom aufgeführt ist, mit dem die Bauelemente während des Lebensdauertests bestromt wurden. In der Spalte N ist die Anzahl der Bauelemente aufgeführt, die in der jeweiligen Testreihe untersucht wurden, während in der Spalte t[h] die Zeitdauer in Stunden angegeben ist, nach der die Bauelemente auf Linsenrisse untersucht wurden. Die Testreihen A bis D sind jeweils nach einer Zeitdauer von 1024 Stunden und nach einer Zeitdauer von 1172 Stunden auf Linsenriss untersucht worden. Die absolute Anzahl an Bauelementen mit Linsenrissen nach der jeweiligen Zeitdauer sind in der Spalte Nf angegeben, während der prozentuale Anteil der Bauelemente mit Linsenrissen in der ganz rechten Spalte mit der Kennzeichnung Nf[%] angegeben ist.
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Die Bauelemente jeder Testreihe wurden zu zwei verschiedenen Zeitpunkten angesehen, deren Ergebnisse jeweils in zwei aufeinanderfolgenden Zeilen dargestellt sind. Der Übersichtlichkeit halber sind die Spalten T[°C], I[mA] und N jeweils nur einmal befüllt. Die Temperatur, der Strom und die Anzahl der untersuchten optoelektronischen Bauelemente sind jedoch innerhalb einer Testreihe gleich.
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Die Vergleichstestreihe E wurde nach einer Zeitdauer von 500 Stunden und nach einer Zeitdauer von 774 Stunden auf Linsenrisse untersucht.
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Wie 8 zeigt, weisen 83 % der optoelektronischen Bauelemente, die mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Anmeldung hergestellt sind, erst nach ungefähr 1200 Stunden defekte Linsen auf, während bei nahezu 100 % der herkömmlichen optoelektronischen Bauelemente der Vergleichsreihe bereits nach 774 Stunden Linsendefekte auftreten. Das vorliegend beschriebene Verfahren trägt somit wesentlich zu einer Lebensdauererhöhung von optoelektronischen Bauelementen mit optischen Elementen 11 bei.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterchip
- 2
- Träger
- 3
- Strahlungsaustrittsfläche
- 4, 4', 4"
- Einzelkonversionsschicht
- 5
- Harz
- 6
- Leuchtstoffpartikel
- 7
- Konversionsschicht
- 8
- sedimentierte Partikelschicht
- 9
- Verarmungsschicht
- 10
- transparente Pufferschicht
- 11
- optisches Element
