DE102018132651A1

DE102018132651A1 - Optoelektronisches halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE102018132651A1
Application number: DE102018132651.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Völkl; Siegfried Herrmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US20220115558A1; WO2020127029A1

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil (10) eine Emittereinheit (1) und einen Reflektor (4). Die Emittereinheit (1) weist eine Halbleiterschichtenfolge (2) auf, die zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten (24, 25), mehrere Seitenflächen (26, 27) und eine aktive Zone (22) zur Strahlungserzeugung umfasst. Die Emittereinheit (1) beinhaltet elektrische Kontaktflächen (31, 32), die sich an den Hauptseiten (24, 25) befinden. Der Reflektor (4) überdeckt die Hauptseiten (324, 25) und alle Seitenflächen (26) bis auf eine einzige, zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) zu mindestens 90 %.

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das Licht mit einer hohen Leuchtdichte emittiert.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil eine oder mehrere Emittereinheiten. Die mindestens eine Emittereinheit ist dazu eingerichtet, im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauteils eine Strahlung zu emittieren, insbesondere sichtbares Licht. Alternativ oder zusätzlich zu sichtbarem Licht kann von zumindest einer Emittereinheit auch nahultraviolette Strahlung und/oder nahinfrarote Strahlung erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Emittereinheit eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten auf. Die Hauptseiten sind bevorzugt die größten Seiten der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere sind die Hauptseiten senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge mehrere Seitenflächen. Die Seitenflächen sind quer zu den Hauptseiten orientiert. Bevorzugt verlaufen die Seitenflächen parallel oder näherungsweise parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge. Näherungsweise bedeutet beispielsweise eine Winkeltoleranz von höchstens 15° oder 10° oder 5°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere aktive Zonen. Die mindestens eine aktive Zone ist zur Strahlungserzeugung eingerichtet. Die aktive Zone beinhaltet zumindest einen pn-Übergang, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur. In der aktiven Zone wird über Ladungsträgerrekombination und damit über Elektrolumineszenz Strahlung erzeugt. Die aktive Zone befindet sich bevorzugt zwischen einem n-leitenden Bereich und einem p-leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge.
Die erzeugte Strahlung ist bevorzugt eine inkohärente Strahlung und kein Laserlicht. Die Emittereinheit ist somit insbesondere ein Leuchtdiodenchip und/oder eine Leuchtdiodeneinheit.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder wie Al_nGa_mIn_1-n-mAs_kP_1-k, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 sowie 0 ≤ k < 1 ist. Insbesondere gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 0 < n ≤ 0,8, 0,4 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 sowie 0 < k ≤ 0,5. 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.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Emittereinheit elektrische Kontaktflächen, bevorzugt genau zwei elektrische Kontaktflächen. Die elektrischen Kontaktflächen sind zu einer Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge eingerichtet. Die elektrischen Kontaktflächen befinden sich an den Hauptseiten der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen Reflektor. Der Reflektor kann ein integraler Bestandteil der zumindest einen Emittereinheit sein. Der Reflektor überdeckt die Hauptseiten und alle Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge bis auf eine einzige, zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche überwiegend. Überwiegend bedeutet zu mindestens 70 % oder 90 %.
Die Hauptseiten und die nicht zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen können auch vollständig von dem Reflektor bedeckt sein. Der Reflektor ist zu einer Reflexion der im Betrieb erzeugten Strahlung eingerichtet. Ein Reflexionsgrad des Reflektors für diese Strahlung beträgt bevorzugt mindestens 80 % oder 90 % oder 96 % oder 98 %. Der Reflektor kann einstückig gestaltet sein. Bevorzugt jedoch ist der Reflektor mehrstückig und aus mehreren Komponenten zusammengesetzt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil mindestens eine Emittereinheit und mindestens einen Reflektor. Die Emittereinheit weist eine Halbleiterschichtenfolge auf, die zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten, mehrere Seitenflächen und eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung umfasst. Die Emittereinheit beinhaltet elektrische Kontaktflächen, die sich an den Hauptseiten befinden. Der Reflektor überdeckt die Hauptseiten und alle Seitenflächen bis auf eine einzige, zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche zu mindestens 90 %.
Für viele Anwendungen, beispielsweise für Scheinwerfer in Kraftfahrzeugen oder in Projektoren, sind hohe Leuchtdichten notwendig. Mit dem hier beschriebenen Halbleiterbauteil sind hohe Leuchtdichten erreichbar, wobei das Halbleiterbauteil kleine geometrische Abmessungen aufweist.
Insbesondere erfolgt bei dem hier beschriebenen Halbleiterbauteil eine Auskopplung des erzeugten Lichts an einer einzigen Facette oder Seitenfläche. Die Halbleiterschichtenfolge kann als Lichtleiter gestaltet sein, um weit von der Auskoppelseite der Halbleiterschichtenfolge entfernt erzeugtes Licht zur Auskoppelfläche zu transportieren. Bevorzugt ist die Auskoppelfläche sehr klein, um hohe Leuchtdichten zu erreichen.
Eine metallische Verspiegelung einer Wachstumsoberseite und einer Wachstumsunterseite kann als vollflächige p-Kontaktfläche und als n-Kontaktfläche benutzt werden. Über eine geeignete Geometrie der Halbleiterschichtenfolge lässt sich eine hohe Lichtauskoppeleffizienz erzielen.
Es kann ein pixeliertes Abbildungssystem aufgebaut werden, bei dem jede Emittereinheit separat ansteuerbar ist. Damit lassen sich hochauflösende Abbildungen mit hoher Leuchtdichte erzielen. Es ist möglich, dass geometrische Auskoppelstrukturen an der Auskoppelseite vorhanden sind.
Eine Kombination mit optischen Systemen und Konvertern, also Leuchtstoffen, an der Auskoppelseite ist insbesondere entlang einer Emissionsrichtung möglich. Es sind verschiedene Varianten einer Verspiegelung der Halbleiterschichtenfolge, einer Kontaktführung und einer elektrischen Isolation möglich. Über geometrische Modifikationen der Kontaktflächen und/oder einer Querschnittsfläche oder Grundfläche der Halbleiterschichtenfolge lassen sich weiter erhöhte Leuchtdichten erzielen.
Beispielsweise weist das Halbleiterbauteil gegenüber einem herkömmlichen Halbleiterbauteil gleicher Größe eine um einen Faktor 6 erhöhte Strahlungsdichte an der zur Strahlungsemission eingerichteten Auskoppelseite auf.
Mit den Emittereinheiten sind Arrays aufbaubar, die elektrisch in Serie geschaltet werden können, indem eine bevorzugt vollflächige Aufeinanderstapelung an den elektrischen Kontaktflächen erfolgt. Die Emittereinheiten können auch elektrisch parallel geschaltet werden, indem die Kontaktflächen nebeneinander platziert werden. Dabei sind Kombinationen möglich. Solche Arrays können herkömmliche LED-Chips ersetzen und sind für Scheinwerfer, Projektionsanwendungen, Straßenbeleuchtung und/oder für die Allgemeinbeleuchtung geeignet. Dabei kann eine Emission im sichtbaren Spektralbereich erfolgen, beispielsweise kann blaues, grünes und/oder rotes Licht oder auch weißes Licht emittiert werden oder es erfolgt eine Emission im ultravioletten Spektralbereich und/oder im infraroten Spektralbereich.
Insbesondere ist eine Anwendung der Emittereinheiten sowie des Halbleiterbauteils in Miniprojektoren und Near-to-Eye-Applikationen möglich.
Einzelne Emittereinheiten sind durch ihre besonders kleine Dicke gut für Spezialanwendungen geeignet, beispielsweise zum Einkoppeln in dünne, rechteckige oder auch ellipsoidale Fasern oder Lichtleiter.
Eine Verlustleistung bei der elektrooptischen Konversion lässt sich beispielsweise mittels Luftstrom, Flüssigkeitskühlung oder einer Wärmesenke abführen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedecken die Kontaktflächen die Hauptflächen jeweils überwiegend, beispielsweise zu mindestens 70 % oder 90 % oder 95 % oder vollständig. Dabei sind die Kontaktflächen bevorzugt ein Teil des Reflektors.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Kontaktflächen je mindestens eine metallische Schicht. Optional weisen die Kontaktflächen eine weitere Schicht auf, insbesondere eine Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, wie ITO oder wie Zinkoxid. Eine solche TCO-Kontaktschicht befindet sich bevorzugt zwischen der metallischen Schicht und der Halbleiterschichtenfolge.
Die metallische Schicht oder die TCO-Schicht der Kontaktflächen ist bevorzugt eine durchgehende, lückenlose und zusammenhängende Schicht. Alternativ kann die metallische Schicht oder die TCO-Schicht strukturiert sein. Zwischen zum Beispiel inselförmigen Gebieten der metallischen Schicht oder der TCO-Schicht kann sich ein dielektrischer Spiegel oder ein Kombinationsspiegel mit metallischen und mit dielektrischen Komponenten befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein maximaler Abstand des Reflektors zur Halbleiterschichtenfolge höchstens 10 µm oder 5 µm oder 2 µm oder 1 µm. Insbesondere befindet sich der Reflektor stellenweise oder ganzflächig unmittelbar an der Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel befindet sich zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Reflektor stellenweise nur eine Passivierungsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche überwiegend oder ganz frei von dem Reflektor. Beispielsweise ist diese Seitenfläche zu höchstens 5 % oder 10 % oder 20 % oder überhaupt nicht vom Reflektor bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Gesamtdicke der Emittereinheit höchstens ein Vierfaches oder ein Dreifaches oder ein Doppeltes einer Dicke des n-leitenden Bereichs oder der n-leitenden Bereiche der Halbleiterschichtenfolge. Mit anderen Worten ist die Gesamtdicke der Emittereinheiten im Wesentlichen durch die Halbleiterschichtenfolge bestimmt. Eine Dicke insbesondere der Kontaktflächen und des Reflektors ist bevorzugt kleiner als die Dicke der Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise liegt eine Dicke der Kontaktflächen jeweils bei höchstens 10 % oder 20 % oder 40 % der Dicke des n-leitenden Bereichs oder der n-leitenden Bereiche der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche mit einer Aufrauung versehen. Über eine solche Aufrauung lässt sich eine erhöhte Lichtauskoppeleffizienz erzielen. Bevorzugt liegt eine solche Aufrauung ausschließlich an der zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenfläche vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil eine Vielzahl der Emittereinheiten. Durch die Emittereinheiten wird bevorzugt eine gemeinsame Emissionsfläche gebildet, die aus den zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen der Emittereinheiten zusammengesetzt ist. Die Emissionsfläche kann eine ebene, planare Fläche sein.
Jede der Emittereinheiten kann einen eigenen Reflektor umfassen. Alternativ liegt ein gemeinsamer Reflektor für alle Emittereinheiten oder je für eine Gruppe von Emittereinheiten vor. Bevorzugt bilden dabei die Kontaktflächen je einen Teil des Reflektors zwischen zwei benachbarten Emittereinheiten. Alternativ sind die Kontaktflächen kein Teil des Reflektors und reflektieren nicht oder nicht signifikant, zum Beispiel im Falle von TCO-Kontaktflächen mit einem Brechungsindex, der ähnlich dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist.
Umfassen die Emittereinheiten je mehrere aktive Zonen, so können zwischen benachbarten aktiven Zonen jeweils Tunnelkontakte vorhanden sein. Bevorzugt jedoch umfassen die Emittereinheiten jeweils nur genau eine aktive Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Emittereinheiten in einer linearen oder in einer zweidimensionalen Anordnung vor. Das heißt, die zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen können alle entlang einer insbesondere geraden Linie angeordnet sein. Alternativ sind die zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen im Falle einer zweidimensionalen Anordnung in Draufsicht gesehen bevorzugt in einem regelmäßigen, beispielsweise rechteckigen Gitter angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind benachbarte Emittereinheiten an ihren Hauptflächen aufeinanderfolgend angeordnet, insbesondere unmittelbar aufeinandergestapelt angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Anordnung benachbarter Emittereinheiten über Seitenflächen, insbesondere über gegenüberliegende Seitenflächen, die nicht zur Strahlungsemission vorgesehen sind, erfolgen. Liegt eine Anordnung aufeinanderfolgender Emittereinheiten nur über bevorzugt gegenüberliegende Seitenflächen vor, so lässt sich ein sehr dünnes Halbleiterbauteil erzeugen, das etwa für Displayhinterleuchtungen oder zur Einkopplung in Lichtfasern oder Lichtleiterplatten geeignet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil der Emittereinheiten über ihre Kontaktflächen unmittelbar mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Beispielsweise sind die betreffenden Emittereinheiten aneinander gelötet oder elektrisch leitfähig geklebt, sodass sich zwischen den Kontaktflächen aufeinanderfolgender Emittereinheiten lediglich ein Verbindungsmittel befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Emittereinheiten oder Gruppen von Emittereinheiten elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar. Dabei liegen bevorzugt verschiedenfarbig emittierende Emittereinheiten vor. Beispielsweise liegen rotes Licht emittierendes Emittereinheiten, grünes Licht emittierende Emittereinheiten und blaues Licht emittierende Emittereinheiten vor. Es ist möglich, dass durch die Emittereinheiten Bildpunkte aufgebaut sind, sodass das Halbleiterbauteil eine Anzeigevorrichtung sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Anzahl der Emittereinheiten des Halbleiterbauteils bei mindestens 100 oder 300 oder 1000. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Emittereinheiten bei höchstens 100.000 oder 30.000 oder 10.000. Es ist somit möglich, dass das Halbleiterbauteil im Vergleich zu einem Display, welche üblicherweise eine hohe Auflösung mit Millionen von Pixeln aufweisen, über relativ wenige Emittereinheiten verfügt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge zwischen den Hauptseiten bei mindestens 0,5 µm oder 1 µm oder 2 µm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 12 µm oder 6 µm oder 4 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge in Richtung senkrecht zur Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, eine Länge von mindestens 10 µm oder 40 µm oder 150 µm auf.
Alternativ oder zusätzlich liegt diese Länge bei höchstens 0,5 mm oder 200 µm oder 100 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge in Richtung quer oder parallel zur Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, eine Breite von mindestens 30 µm oder 50 µm oder 100 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Breite bei höchstens 1 mm oder 0,5 mm oder 250 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Breite der Halbleiterschichtenfolge größer als die Länge der Halbleiterschichtenfolge, oder umgekehrt. Beispielsweise übersteigt die Breite die Länge um mindestens einen Faktor 1,5 oder 3 oder 10, oder umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Reflektor eine oder mehrere Metallschichten oder besteht hieraus. Sind mehrere Metallschichten des Reflektors vorhanden, so können diese Metallschichten nebeneinander und damit nicht überlappend angeordnet sein. Alternativ können in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge mehrere Metallschichten aufeinanderfolgen. Umfasst der Reflektor ausschließlich Metallschichten, so handelt es sich bei dem Reflektor um einen metallischen Reflektor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Reflektor mindestens eine totalreflektierende Schicht. Die totalreflektierende Schicht weist im Vergleich zur Halbleiterschichtenfolge bevorzugt einen relativ niedrigen Brechungsindex für die im Betrieb erzeugte Strahlung auf. Beispielsweise ist eine solche totalreflektierende Schicht aus einem Oxid wie Siliziumdioxid oder aus einem Nitrid wie Aluminiumnitrid. Der Reflektor kann mehrere solcher Schichten umfassen, die nebeneinander oder übereinander gestapelt angeordnet sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Reflektor mindestens zum Teil um einen Bragg-Reflektor. Der Reflektor weist dann mehrere strahlungsdurchlässige Schichten mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungsindizes auf. An einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Bragg-Reflektors kann sich eine reflektierende Metallschicht befinden, sodass der Bragg-Reflektor aus weniger Schichtpaaren aufgebaut zu sein braucht.
Alternativ zu spekular reflektierenden Reflektoren wie Metallreflektoren oder Bragg-Reflektoren können auch diffus reflektierende Reflektoren verwendet werden. Zum Beispiel ist der Reflektor dann durch ein transparentes Matrixmaterial gebildet, in das Partikel mit einem anderen Brechungsindex eingebettet sind. Insbesondere ist der Reflektor in diesem Fall aus einem Silikon, das mit Titandioxid-Partikeln versetzt ist. Der Reflektor kann weiß erscheinen.
An verschiedenen Seiten der Halbleiterschichtenfolge können unterschiedliche Arten von Reflektoren vorliegen. Beispielsweise sind an den Hauptseiten metallische Reflektoren in Form der Kontaktflächen gegeben, wohingegen der Reflektor an den nicht zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen durch einen Bragg-Spiegel oder durch eine diffus reflektierende Schicht gebildet sein kann oder alternativ durch einen Kombinationsspiegel, zum Beispiel mit der Metallschicht und mit einer totalreflektierenden Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reflektor mindestens ein Seitenteil auf, das sich an den nicht zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge befindet. Das mindestens eine Seitenteil ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material und kann durch die Metallschicht oder durch einen Teil der Metallschicht gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zumindest eine Seitenteil elektrisch von den Kontaktflächen getrennt. Alternativ ist das mindestens eine Seitenteil mit einer der Kontaktflächen elektrisch verbunden, insbesondere ohmsch leitend elektrisch verbunden. Im letztgenannten Fall ist das Seitenteil beispielsweise ein Teil der Kontaktfläche an dem n-leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge oder ein Teil der Kontaktfläche an dem p-leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge. Mit anderen Worten kann sich eine der Kontaktflächen auf die nicht zur Strahlungsemission vorgesehenen Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge erstrecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der aktiven Zone und dem Reflektor eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere nur eine elektrische Isolationsschicht. Diese elektrische Isolationsschicht kann einen Teil des Reflektors bilden, insbesondere eine Schicht eines Bragg-Spiegels oder die totalreflektierende Schicht eines Kombinationsspiegels. Mittels einer solchen elektrischen Isolationsschicht, die die aktive Zone und bevorzugt den n-leitenden Bereich und/oder den p-leitenden Bereich bedeckt, sind Kurzschlüsse aufgrund metallischer Komponenten der Kontaktflächen und/oder des Reflektors vermeidbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen oder mehrere Leuchtstoffe. Der mindestens eine Leuchtstoff ist zumindest oder nur auf oder über der zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenfläche angebracht. Das heißt, der Leuchtstoff kann sich unmittelbar an dieser Seitenfläche befinden. Der Leuchtstoff ist bevorzugt in ein Matrixmaterial, wie ein Glas oder wie ein Kunststoff, etwa ein Silikon, eingebettet. Alternativ kann es sich bei dem Leuchtstoff um eine Keramik wie eine gesinterte Keramik handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet. In diesem Fall basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem AlInGaN.
Es ist möglich, dass unterschiedlichen Emittereinheiten verschiedene Leuchtstoffe nachgeordnet sind. Damit können die Emittereinheiten alle auf dem gleichen Materialsystem basieren, insbesondere auf AlInGaN, und dennoch zur Erzeugung von Licht unterschiedlicher Farben mit Hilfe des mindestens einen Leuchtstoffs eingerichtet sein. Alternativ werden zur Erzeugung der verschiedenen Farben unterschiedliche Halbleitermaterialien herangezogen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge oder ist die Halbleiterschichtenfolge zusammen mit den Kontaktflächen als Lichtleiter hin zur Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, gestaltet. Damit kann die bevorzugt inkohärente Strahlung erzeugende Halbleiterschichtenfolge alleine oder die Halbleiterschichtenfolge zusammen mit den Kontaktflächen Mantelschichten aufweisen, die einen vergleichsweise niedrigen Brechungsindex aufzeigen. In der Halbleiterschichtenfolge kann also eine totalreflektierende, wellenleitende Struktur ähnlich einem zweidimensionalen Lichtleiter gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verjüngt sich die Halbleiterschichtenfolge in Richtung hin zu der Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist. Dies gilt in Draufsicht auf eine der Hauptseiten und/oder im Querschnitt durch die Hauptseiten gesehen. Das heißt, in Draufsicht auf die Hauptseiten gesehen kann die Halbleiterschichtenfolge hin zur strahlungsemittierenden Seite sich verschmälern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge in Richtung hin zu der Seite, die zur Strahlungsemission vorgesehen ist, sich verringern.
Darüber hinaus wird ein Beleuchtungssystem angegeben. Merkmale des Beleuchtungssystems sind für das Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt. Das Beleuchtungssystem umfasst eine oder mehrere der optoelektronischen Halbleiterbauteile sowie eine Abbildungseinheit, insbesondere einen beweglichen Spiegel. Bevorzugt befindet sich zwischen dem Halbleiterbauteil und dem Spiegel eine Optik wie eine Sammellinse.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
3 eine schematische Schnittdarstellung einer Abwandlung eines Halbleiterbauteils,
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
5 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
6 eine tabellarische Übersicht über Ausführungsbeispiele und über eine Abwandlung von Halbleiterbauteilen,
7 bis 11 schematische Draufsichten auf eine Auskoppelseite von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
12 bis 14 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
15 und 16 schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
17 eine schematische Draufsicht auf eine Emissionsfläche eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
18 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
19 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
20 und 21 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
22 eine schematische Schnittdarstellung und 23 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
24 eine schematische Draufsicht und 25 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Strich-Punkt-Linie der 24 eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils, und
26 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Beleuchtungssystems mit einem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteil.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 10 dargestellt. Das Halbleiterbauteil 10 ist durch eine einzige Emittereinheit 1 gebildet.
Die Emittereinheit 1 umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 2. Die Halbleiterschichtenfolge 2 beinhaltet eine aktive Zone 22, die sich zwischen einem n-leitenden Bereich 21 und einem p-leitenden Bereich 23 befindet. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge 2 auf dem Materialsystem AlInGaN. Das heißt, die Schichten 21, 23 können jeweils entsprechend dotierte GaN-Schichten sein.
Weiterhin umfasst die Emittereinheit 1 elektrische Kontaktflächen 31, 32. Eine erste elektrische Kontaktfläche 31 befindet sich an dem n-leitenden Bereich 21, eine zweite elektrische Kontaktfläche 32 ist an dem p-leitenden Bereich 23 angebracht. Die Kontaktflächen 31, 32 sind bevorzugt metallische Schichten oder metallische Schichtenstapel. Damit befinden sich die Kontaktflächen 31, 32 an Hauptseiten 24, 25 der Halbleiterschichtenfolge 2, bevorzugt unmittelbar an den Hauptseiten 24, 25.
Die Kontaktflächen 31, 32 stellen Teile eines Reflektors 4 für im Betrieb erzeugte Strahlung dar. Außerdem erstreckt sich der Reflektor 4 auf drei Seitenflächen 26 und bedeckt diese Seitenflächen 26 vollständig oder nahezu vollständig. Die quaderförmige Halbleiterschichtenfolge 2 ist damit an fünf von sechs Seitenflächen 26 von dem Reflektor 4 umgeben, sodass an diesen Seitenflächen 26 im Betrieb keine Strahlung oder kein signifikanter Strahlungsanteil aus der Emittereinheit 1 austritt.
Eine einzige Seitenfläche 27 ist als Emissionsfläche 11 der Emittereinheit 1 gestaltet. Nur an dieser Seitenfläche 27 tritt im Betrieb Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge 2 aus. Bei dieser Seitenfläche 27 kann es sich um eine kleinste Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 handeln.
Eine Gesamtdicke der Emittereinheit 1 ist ungefähr gleich einer Dicke T der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Dicke T liegt beispielsweise zwischen einschließlich 2 µm und 5 µm. Eine Dicke der Kontaktflächen 31, 32 und/oder des Reflektors 4 liegt bevorzugt unterhalb von 1 µm, insbesondere unterhalb von 0,5 µm. Damit weist die Emittereinheit 1 eine ähnliche Größe auf, wie die als trägerloser Leuchtdiodenchip gestaltete Halbleiterschichtenfolge 2.
Der durch den Reflektor 4 definierte Lichtkasten weist somit ebenfalls ungefähr die gleiche Größe auf wie die Halbleiterschichtenfolge 2. Eine solche Anordnung, die auf die Größe der Halbleiterschichtenfolge 2 begrenzt ist, wird auch als Chip-Scale Lightbox bezeichnet.
Eine Länge L der Halbleiterschichtenfolge 2 und damit der Emittereinheit 1 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 30 µm und 100 µm. Eine Breite W der Halbleiterschichtenfolge 2 beträgt beispielsweise mindestens 40 µm und/oder höchstens 400 µm. Entsprechende Werte können für alle anderen Ausführungsbeispiele gelten.
In 2 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleiterbauteils 10 illustriert, das aus genau einer Emittereinheit 1 gebildet ist. Das Halbleiterbauteil 10 der 2 ist im Wesentlichen aufgebaut wie das Halbleiterbauteil 10 der 1. Eine Emission von zum Beispiel blauem Licht R erfolgt ausschließlich an derjenigen Seitenfläche 27, die die Emissionsfläche 11 bildet.
Das Halbleiterbauteil 10 weist somit eine kleine Auskoppelfläche 27 auf, wodurch eine große Leuchtdichte an der Emissionsfläche 11 erreichbar ist. Die vergleichsweise lange Halbleiterschichtenfolge 2 wirkt in Richtung hin zur Emissionsfläche 11 als Lichtleiter. Damit kann Licht, das weit von der Emissionsfläche 11 entfernt in der aktiven Zone 22 erzeugt wird, dennoch effizient aus der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgekoppelt werden.
In 3 ist eine Abwandlung 9 dargestellt. Bei der Abwandlung 9 handelt es sich um einen herkömmlichen Leuchtiodenchip, bei dem sich die Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Träger 6 befindet. Das im Betrieb erzeugte Licht R wird vor allem an einer Hauptseite 24 emittiert, die gleichzeitig die Emissionsfläche 11 bildet. Die Lichtemission erfolgt über eine relativ große Fläche hinweg, sodass nur vergleichsweise geringe Leuchtdichten erzielt werden können.
Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 10 der 4 sind mehrere der Emittereinheiten 1 übereinandergestapelt angeordnet. Die einzelnen Emittereinheiten 1 sind über benachbarte Kontaktflächen 31, 32 miteinander verbunden, die beispielsweise mittels Löten aneinander befestigt sind. Benachbarte Halbleiterschichtenfolgen 2 der Emittereinheiten 1 sind durch die jeweils zugehörigen Kontaktflächen 31, 32 und ein nicht gezeichnetes Verbindungsmittel, wie ein Lot, voneinander getrennt. Die einzelnen Emittereinheiten 1 sind über die Kontaktflächen 31, 32 elektrisch in Serie geschaltet.
Außenliegende Kontaktflächen 31, 32 sind bevorzugt als Kontaktflächen 35 zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauteils 10 eingerichtet. Diese äußersten Kontaktflächen 31, 32 sind beispielsweise dicker gestaltet und/oder weisen zusätzliche Metallschichten auf, im Vergleich zu den innenliegenden Kontaktflächen 31, 32.
Die Seitenflächen 26, die nicht zur Emission von Licht eingerichtet sind, sind bevorzugt durchgehend von dem Reflektor 4 bedeckt. Die Seitenflächen 27 der einzelnen Emittereinheiten 1, die zur Strahlungsemission eingerichtet sind, bilden zusammengenommen die Emissionsfläche 11. Die Emissionsfläche 11 und damit alle Seitenflächen 27, an denen Strahlung emittiert wird, liegen bevorzugt in einer Ebene.
Gemäß 4 sind die Emittereinheiten 1 linear angeordnet. Demgegenüber erfolgt in 5 eine zweidimensionale Anordnung der Emittereinheiten 1. Entlang einer Stapelrichtung der Emittereinheiten 1 können die Emittereinheiten 1 elektrisch in Serie geschaltet sein und Spalten bilden. In Richtung parallel zu den externen Kontaktflächen 35 können die Emittereinheiten elektrisch parallel verschaltet sein. Damit kann eine kombinierte Parallelschaltung und Serienschaltung der Emittereinheiten 1 vorliegen.
Zwischen benachbarten Serienschaltungen der Emittereinheiten 1 und an äußeren Seitenflächen, die nicht von den externen Kontaktflächen 35 bedeckt sind, befindet sich jeweils der Reflektor 4. Zusätzlich umfasst der Reflektor 4 wiederum die zwischen benachbarten Emittereinheiten 1 liegenden Kontaktflächen 31, 32. Der Reflektor 4 erstreckt sich optional zwischen benachbarten Spalten kann in diesem Bereich aus einem dielektrischen Spiegel gebildet sein. Seitenteile 44 des Reflektors 4 sind zum Beispiel metallisch oder aus einem diffus reflektierenden Material, wie einem Titandioxidgefüllten Silikon, gebildet.
Die Emittereinheiten 1 sind bevorzugt auf einem Träger 6 angebracht. Bei dem Träger 6 handelt es sich bevorzugt um eine Wärmesenke des Halbleiterbauteils 10. Optional kann der Träger 6 nicht gezeichnete Kühlrippen für eine Luftkühlung umfassen. Weiterhin ist es möglich, dass der Träger 6 nicht gezeichnete Kanäle für eine Flüssigkeitskühlung aufweist.
Gemäß 5 sind die Emittereinheiten 1 allesamt baugleich. Abweichend von der Darstellung der 5 können auch unterschiedlich aufgebaute Emittereinheiten zu dem Halbleiterbauteil 10 zusammengefasst werden. Beispielsweise können rot emittierende, grün emittierende und blau emittierende Emittereinheiten miteinander kombiniert vorliegen, sodass RGB-Bildpunkte resultieren können.
Abweichend von der Darstellung der 5 können solche RGB-Bildpunkte oder auch die Emittereinheiten 1 insgesamt elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sein. Entsprechende elektrische Kontaktflächen oder Verdrahtungsebenen können in dem Träger 6 integriert sein.
Ebenso kann der Träger 6 eine Ansteuerelektronik 62 umfassen. Damit kann der Träger 6 ein IC-Chip sein.
Abweichend von der Darstellung in 5 kann sich der Träger 6 mit der optionalen Ansteuerelektronik 62 auch an Seitenflächen des Feldes mit den Emittereinheiten 1 befinden. Gleiches gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele.
In 6 sind exemplarisch geometrische und optische Parameter für die Abwandlung 9 der 3 und für verschiedene Ausführungsbeispiele der Halbleiterbauteile 10, analog zu 5, angegeben.
Angegeben ist jeweils eine Anzahl N der Emittereinheiten 1, die Breite W der zugehörigen Halbleiterschichtenfolge und damit der zugehörigen Emittereinheiten, die Dicke T, eine Grundfläche B des entsprechenden Halbleiterbauteils 10, die Länge L sowie eine Extraktionseffizienz E und eine relative Leuchtdichte Z an der Emissionsfläche 11.
Die Halbleiterbauteile 10 weisen zum Beispiel 30 × 30 = 900 oder 3 × 1111 = 3333 oder 200 × 100 = 20000 der Emittereinheiten 1 auf. Somit kann das Halbleiterbauteil 10 eine vergleichsweise große Anzahl an Emittereinheiten 1 umfassen.
Abhängig von der Geometrie der Emittereinheiten 1 und damit der jeweiligen Halbleiterschichtenfolge 2 ergeben sich verschiedene Werte für eine Extraktionseffizienz E und für eine relative Leuchtdichte Z. Die Werte für die Extraktionseffizienz E basieren dabei auf einer Halbleiterschichtenfolge 2 ohne jegliche Aufrauung, sodass diese Werte bei einer Optimierung einer Auskopplung ansteigen können.
Ferner ist aus 6 ersichtlich, dass bei den hier beschriebenen Halbleiterbauteilen 10 hohe relative Leuchtdichten Z erzielbar sind. Insbesondere bei Anwendungen, in denen den Halbleiterbauteilen 10 optische Elemente nachgeordnet sind, kann die höhere relative Leuchtdichte Z eine eventuell niedrigere Extraktionseffizienz E ausgleichen, da bei einer bestimmten vorgegebenen Helligkeit eine kleinere Emissionsfläche 11 resultiert und eine optische Abbildung effizienter gestaltet werden kann.
In den 7 bis 11 sind verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten des Reflektors 4 und der Kontaktflächen 31, 32 gezeigt. Diese jeweiligen Ausgestaltungen können in allen Ausführungsbeispielen entsprechend verwendet werden.
Gemäß 7 weisen die Kontaktflächen 31, 32 je eine Schicht 34 aus einem transparenten leitfähigen Oxid auf. Die Schicht 34 weist einen kleineren Brechungsindex auf als die Halbleiterschichtenfolge 2. Damit kann die Schicht 34 als totalreflektierende Schicht wirken, sodass eine hohe Lichtleiteffizienz in Richtung hin zur Seitenfläche 27, gleich der Emissionsfläche 11, resultieren kann. Zusätzlich weisen die Kontaktflächen 31, 32 je mindestens eine metallische Schicht 33 auf.
Der Reflektor 4 an den nicht emittierenden Seitenflächen 26 ist analog zu den Kontaktflächen 31, 32 aufgebaut. Damit umfasst der Reflektor 4 eine elektrische Isolationsschicht 42 aus einem niedrig brechenden Material wie Siliziumdioxid.
Außerdem beinhaltet der Reflektor 4 zumindest eine Metallschicht 41.
Somit kann über die Schichten 34, 42 eine Totalreflexion von Strahlung erreicht werden, wohingegen über die Schichten 33, 41 eine herkömmliche, spekulare Reflexion an Metallen erfolgen kann.
Die Kontaktflächen 31, 32 können bündig oder näherungsweise bündig mit den Hauptseiten 24, 25 abschließen. Entsprechend kann der Reflektor 4 bündig oder näherungsweise bündig mit den jeweiligen Seitenflächen 26 abschließen.
Nachfolgend sind die Kontaktflächen 31, 32 jeweils nur als metallische Kontaktflächen gezeichnet. Die Schicht 34 aus einem transparenten leitfähigen Oxid kann jedoch genauso in allen anderen Ausführungsbeispielen optional zusätzlich vorhanden sein.
Gemäß 8 bedecken die Kontaktflächen 31, 32 die Hauptseiten 25, 24 nur teilweise. Dafür erstreckt sich die Isolationsschicht 42 im Querschnitt gesehen U-förmig über die Seitenflächen 26 hinweg bis an die Kontaktflächen 31, 32. Auch die Metallschicht 41 kann im Querschnitt U-förmig gestaltet sein und sich teilweise auf die Hauptseiten 24, 25 erstrecken.
Optional ist eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht 7 vorhanden, die die Metallschicht 41 verkapselt und die Kurzschlüsse zwischen den Kontaktflächen 31, 32 und der Metallschicht 41 unterbindet.
Gemäß 9 sind die Schichten 41, 42 im Querschnitt U-förmig gestaltet. Abweichend von 8 erstrecken sich die Schichten 41, 42 auf die Kontaktflächen 31, 32, wobei Kurzschlüsse durch die Isolationsschicht 42 vermieden sind. Optional ist wiederum die Passivierungsschicht 7 vorhanden.
In den 7 bis 9 ist die Metallschicht 41 jeweils elektrisch von den Kontaktflächen 31, 32 separiert. Demgegenüber besteht zwischen der Metallschicht 41 an den Seitenflächen 26 und einer der Kontaktflächen 31 gemäß den 10 und 11 eine direkte, ohmsch leitende elektrische Verbindung. Dabei bedecken gemäß 10 Fortsätze der ersten Kontaktfläche 31 die Seitenflächen 26 im Wesentlichen vollständig. Gemäß 11 erstrecken sich die Fortsätze der Kontaktfläche 31 auf die Hauptseite 25 mit der Kontaktfläche 32.
Optional ist es möglich, dass sich diese Fortsätze für den Reflektor 4 stellenweise unmittelbar an den Seitenflächen 26 befinden. Alternativ kann die Isolationsschicht 42 bis zur Hauptseite 24 an der Kontaktschicht 31 reichen. Optional kann sich die Isolationsschicht 42 auf die Kontaktfläche 32 erstrecken.
In 12 ist illustriert, dass die Emissionsfläche 11 und damit die Seitenfläche 27, die zur Strahlungsemission vorgesehen ist, mit einer Aufrauung 51 versehen ist. Über eine solche Aufrauung 51 lässt sich eine erhöhte Lichtauskoppeleffizienz erzielen. Bevorzugt liegt eine solche Aufrauung 51 auch in allen Ausführungsbeispielen vor.
Weiterhin ist in 12 illustriert, dass der Reflektor 4, zum Beispiel ein weißes, diffus reflektierendes Material, an der hinteren Seitenfläche 26 in Richtung senkrecht zur aktiven Zone 22 bündig oder näherungsweise bündig mit den Kontaktflächen 31, 32 abschließen kann. Gleiches kann für die Isolationsschicht 42 gelten.
Beim Ausführungsbeispiel der 13 befindet sich an der Emissionsfläche 11 mindestens ein Leuchtstoff 53. Über den Leuchtstoff 53 kann eine teilweise oder vollständige Umwandlung der in der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge erfolgen. Beispielsweise kann aus blauem Licht teilweise gelbes Licht erzeugt werden, sodass insgesamt weißes Licht emittiert wird.
Alternativ können einzelnen Emittereinheiten 1 Leuchtstoffe zur separaten Erzeugung von grünem Licht und rotem Licht verwendet werden. Beispielsweise in der Ausführungsform der 5 können auf den jeweiligen Emittereinheiten 1 unterschiedliche Leuchtstoffe aufgebracht werden, um RGB-Bildpunkte zu erzielen.
Optional ist dem Halbleiterbauteil 10 eine Optik 52 nachgeordnet, beispielsweise für eine Lichtabbildung. Da an der Emissionsfläche 11 eine vergleichsweise hohe Leuchtdichte emittiert wird, kann die Emissionsfläche 11 vergleichsweise klein sein, was zu einer erhöhten Qualität und Effizienz einer optischen Abbildung führen kann.
Im Ausführungsbeispiel der 14 ist illustriert, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich einer Verjüngung 28 hin zur Seitenfläche 27, die zur Emission der Strahlung eingerichtet ist, dünner wird. Dadurch lässt sich eine noch kleinere Seitenfläche 27 erreichen, einhergehend mit höheren Leuchtdichten.
Es ist möglich, dass die Kontaktfläche 31 an der Seite, an der sich die Verjüngung 28 befindet, nicht bis zur Seitenfläche 27 reicht. Ein übriger Bereich der Hauptseite 24 nahe der Seitenfläche 27 kann vom Reflektor 4 bedeckt sein, wobei mittels des Reflektors 4 eine Planarisierung möglich ist.
In den 13 und 14 ist außerdem veranschaulicht, dass es sich bei dem Reflektor 4 zumindest an den Seitenflächen 26 um einen Bragg-Reflektor, insbesondere aus dielektrischen Materialien, oder um ein elektrisch isolierendes, diffus reflektierendes Material handeln kann. Damit brauchen an den Seitenflächen 26 keine zusätzlichen elektrisch isolierenden Schichten aufgebracht zu werden.
In der Draufsicht der 15 ist gezeigt, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 trapezförmig gestaltet sein kann. Somit kann eine Breite der Halbleiterschichtenfolge 2 in Richtung hin zur Emissionsfläche 11 abnehmen.
In 16 ist illustriert, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 in Draufsicht gesehen nicht viereckig, sondern sechseckig geformt ist. Auch in diesem Fall nimmt eine Breite der Halbleiterschichtenfolge 2 hin zur Emissionsfläche 11 ab. Der Reflektor 4 bedeckt wiederum alle Seitenflächen 26 bis auf die genau eine zur Emission eingerichtete Seitenfläche 27.
Im Ausführungsbeispiel der 17 ist dargestellt, dass mehrere der Emittereinheiten 1 an den Seitenflächen 27 nebeneinander angeordnet sind. Die Hauptseiten 24, 25 und damit die Kontaktflächen 31, 32 können also frei zugänglich sein. Mit einer solchen Anordnung lässt sich ein besonders dünnes Halbleiterbauteil 10 realisieren. Optional ist ein nicht gezeichneter Träger vorhanden, der die Anordnung der Emittereinheiten 1 mechanisch stabilisiert.
Gemäß 18 umfasst die Emittereinheit 1 mehrere aktive Zonen 22 und auch mehrere der n-leitenden Bereiche 21 sowie der p-leitenden Bereiche 23, die die jeweilige aktive Zone 22 ummanteln. Zwischen benachbarten Zellen der Emittereinheit 1 befinden sich Tunnelübergänge 29. Alle Bereiche 21, 22, 23, 29 der Emittereinheit 1 können zusammenhängend epitaktisch gewachsen sein.
Mehrerer solcher Emittereinheiten 1 können übereinander gestapelt sein. Die Emittereinheiten 1 weisen randständig jeweils die Kontaktflächen 31, 32 auf, die bevorzugt als Teil des Reflektors 4 gestaltet sind.
Beim Ausführungsbeispiel der 19 ist das Feld der Emittereinheiten 11, das die Emissionsfläche 11 bildet, ringsum von dem Reflektor 4 umgeben. In diesem Fall ist der Reflektor 4 bevorzugt aus einem transparenten Matrixmaterial mit reflektierenden Partikeln.
Zur effizienteren Kühlung ist der bevorzugt dünne Reflektor 4 außen ringsum von einem Kühlkörper 64 umgeben. Der Kühlkörper 64 ist zum Beispiel galvanisch erzeugt. In dem Träger 6 können Kühlvorrichtungen 66 vorhanden sein, zum Beispiel Kühlkanäle für Flüssigkeiten oder Gase oder thermoelektrische Komponenten.
In 20 ist illustriert, dass die Kontaktflächen 31, 32 strukturiert aufgebaut sind. So umfassen die Kontaktflächen 31, 32 je bevorzugt mehrere der metallischen Schichten 33 die in eine Zwischenschicht 36 eingebettet sind. Die Zwischenschicht 36 kann aus einem elektrisch isolierenden oder elektrisch leitfähigen Material sein, bevorzugt aus einem für die erzeugte Strahlung durchlässigen Material. Optional sind die TCO-Kontaktschichten 34 vorhanden. Derart gestaltete Kontaktflächen 31, 32, 33, 34, 36 können gleichermaßen in allen anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
Beim Halbleiterbauteil 10 der 21 sind die Emittereinheiten 1 in einen Vergusskörper 68 eingebettet. Um eine individuelle, externe elektrische Kontaktierung der Emittereinheiten 1 zu ermöglichen, können die Emittereinheiten 1 unterschiedlich weit oder sogar vollständig aus dem Vergusskörper 68 herausragen.
Optional befindet sich zwischen benachbarten Emittereinheiten 1 je eine Isolationsschicht 42, um elektrische Brücken zu verhindern. Der lichtdurchlässige Vergusskörper 68 bildet den Träger 6 des Halbleiterbauteils 10. Dem Vergusskörper 68 kann ein Leuchtstoff oder ein optischer Filterstoff beigegeben sein.
Gemäß 22 sind die Emittereinheiten 1 in den als Verguss gestalteten Reflektor 4 eingebettet und an dem Träger 6 angebracht. Es ist möglich, dass sich die elektrischen Kontaktflächen 31, 32 nur nahe an dem Träger 6 befinden. Zum Beispiel sind die Emittereinheiten 1 in Richtung weg von dem Träger 6 zu höchstens 50 % oder 25 % oder 10 % ihrer Länge von den Kontaktflächen 31, 32 bedeckt.
Der Träger 6 ist mit Kontaktstellen 61 versehen. Über die Kontaktstellen 61, von denen in 22 nur eine gezeichnet ist, kann der Träger 6 an eine Datenleitung zur Ansteuerung der Emittereinheiten 1 und/oder an eine Stromversorgung angeschlossen werden, wobei auch eine drahtlose Datenübertragung möglich ist. Die einzelnen Bildpunkte 12 sind über die Ansteuerelektronik 62 bevorzugt einzeln ansteuerbar.
In 23 ist illustriert, dass die Emittereinheiten 1 zu RGB-Bildpunkten 12 zusammengefasst sind. Die Emittereinheiten 1, B und 1, G können auf dem Materialsystem InGaN basieren und unmittelbar blaues und grünes Licht aus einer Halbleiterschichtenfolge heraus emittieren. Für die rot emittierenden Emittereinheiten 1, R kann auch das Materialsystem InGaN als Basis dienen. Eine Erzeugung des roten Lichts erfolgt hierbei bevorzugt mittels eines Leuchtstoffs, zum Beispiel mit GaN:Eu, der monolithisch in den Emittereinheiten 1, R integriert sein kann.
Gemäß 23 ist es möglich, dass sich die Kontaktstellen nicht in Draufsicht neben, sondern unter den Emittereinheiten 1 befinden. Die Emissionsfläche 11 kann damit vollständig durch die Emittereinheiten 1 zusammen mit dem Reflektor 4 gebildet sein.
Beim Ausführungsbeispiel der 24 und 25 befinden sich die bevorzugt zu den Bildpunkten 12 gruppierten Emittereinheiten 1 jeweils in einer Kavität 65. Zwischen den Kavitäten 65 und den Emittereinheiten 1 kann eine eineindeutige Zuordnung vorliegen. Die Emittereinheiten 1 können in den Kavitäten 65 auch verkippt und räumlich zufällig angeordnet werden, zum Beispiel, wenn die Emittereinheiten 1 mittels Schütten in den Kavitäten 65 montiert werden. Das heißt, die Emittereinheiten 1 können relativ zum Reflektor 4 unterschiedlich orientiert sein und/oder unterschiedlich tief in den Reflektor 4 eingebracht sein. Dabei liegt bevorzugt dennoch eine eindeutige Farbzuordnung der Emittereinheiten 1 zu den Kavitäten 65 vor.
Es ist möglich, dass die Emittereinheiten 1 vollständig in den Kavitäten 65 angeordnet sind oder dass die Emittereinheiten 1 zu einem kleinen Anteil aus den Kavitäten 65 herausragen. Eine elektrische Kontaktierung der Emittereinheiten 1 in den Kavitäten 65 erfolgt bevorzugt mittels elektrischer Verbindungen 63, die sich jeweils beiderseits der Emittereinheiten 1 in oder auch auf den Kavitäten 65 befinden können.
Die Emittereinheiten 1 können beabstandet von dem Reflektor 4 in den Kavitäten 65 angeordnet sein. Es ist möglich, dass die Kavitäten 65 teilweise oder vollständig mit einer Füllung 69 ausgefüllt sind, in die die Emittereinheiten 1 und optional auch die Verbindungen 63 eingebettet sein können. Abweichend von 25 ist es möglich, dass die Emittereinheiten 1 nicht vollständig von der Füllung 69 umgeben sind, sondern aus der Füllung 69 herausragen.
In 26 ist ein Ausführungsbeispiel eines Beleuchtungssystems 8 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 8 umfasst eines oder auch mehrere der Halbleiterbauteile 1. Dem mindestens einen Halbleiterbauteil 1 ist die fokussierend wirkende Optik 52 nachgeordnet. Der Optik 52 folgt ein beweglicher Spiegel 81 mit einer Spiegelfläche nach. Der bewegliche Spiegel 81 ist zum Beispiel ein Digital Micromirror Device, kurz DMD. Bei dem Beleuchtungssystem 8 kann es sich also um ein Bauteil für Digital Light Processing, kurz DLP, handeln. Das heißt, das Beleuchtungssystem 8 kann ein Display sein. Die Optik 52 kann ein Micro Lens Device, kurz MLD, sein.
Bei dem Beleuchtungssystem 8 ist eine maximale Leuchtfläche insbesondere durch das Etandue des Optik 52 und/oder der Spiegelfläche begrenzt. Das Halbleiterbauteil 1 ist zum Beispiel aus 4 × 299 µm RTTBs zusammengesetzt. Der Spiegel 81 ist zum Beispiel ein DMD, 0,199" nHD.
Beispielsweise weist das Halbleiterbauteil 1 eine Emissionsfläche von 0,41 mm² auf. Eine Spiegelfläche des Spiegels 81 liegt zum Beispiel bei 12,16 mm². Ein halber Lichtsammelwinkel der Optik 52 liegt zum Beispiel bei 69°, ein halber Akzeptanzwinkel des Spiegels 81 zum Beispiel bei 11,5°. Für das Halbleiterbauteil 1 ergibt sich daraus eine Etandue von 1,25 mm² sr und für den Spiegel 81 von 1,81 mm² sr.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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

10: optoelektronisches Halbleiterbauteil
1: Emittereinheit
11: Emissionsfläche
12: Bildpunkt
2: Halbleiterschichtenfolge
21: n-leitender Bereich
22: aktive Zone
23: p-leitender Bereich
24: erste Hauptseite
25: zweite Hauptseite
26: Seitenfläche, vom Reflektor bedeckt
27: Seitenfläche, zur Strahlungsemission eingerichtet
28: Verjüngung
29: Tunnelübergang
31: erste elektrische Kontaktfläche
32: zweite elektrische Kontaktfläche
33: metallische Schicht
34: TCO-Kontaktschicht
35: Kontaktfläche zur externen elektrischen Kontaktierung
36: Zwischenschicht
4: Reflektor
41: Metallschicht
42: elektrische Isolationsschicht
44: Seitenteil
51: Aufrauung
52: Optik
53: Leuchtstoff
6: Träger
61: Kontaktstelle
62: Ansteuerelektronik
63: elektrische Verbindung
64: Kühlkörper
65: Kavität
66: Kühlvorrichtung
68: Vergusskörper
69: Füllung
7: elektrisch isolierende Passivierungsschicht
8: Beleuchtungssystem
81: beweglicher Spiegel
9: Abwandlung
B: Grundfläche des Halbleiterbauteils/der Emissionsfläche
E: Extraktionseffizienz
L: Länge der Halbleiterschichtenfolge
R: Licht
T: Dicke der Halbleiterschichtenfolge
W: Breite der Halbleiterschichtenfolge
Z: relative Leuchtdichte

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) mit mindestens einer Emittereinheit (1) und mit mindestens einem Reflektor (4), wobei - die Emittereinheit (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2) aufweist, die zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten (24, 25), mehrere Seitenflächen (26, 27) und eine aktive Zone (22) zur Strahlungserzeugung umfasst, - die Emittereinheit (1) elektrische Kontaktflächen (31, 32) umfasst, die sich an den Hauptseiten (24, 25) befinden, und - der Reflektor (4) die Hauptseiten (24, 25) und alle Seitenflächen (26) bis auf eine einzige, zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) zu mindestens 90 % überdeckt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Kontaktflächen (31, 32) die Hauptflächen (24, 25) je zu mindestens 90 % unmittelbar bedecken, wobei die Kontaktflächen (31, 32) je mindestens eine metallische Schicht (33) umfassen und je einen Teil des Reflektors (4) bilden, sodass der Reflektor (4) ein integraler Bestandteil der zugehörigen Emittereinheit (1) ist, wobei ein maximaler Abstand des Reflektors (4) zur Halbleiterschichtenfolge (2) höchstens 2 µm beträgt, und wobei die zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) frei von dem Reflektor (4) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Gesamtdicke der Emittereinheit (1) höchstens ein Doppeltes einer Dicke eines n-leitenden Bereichs (21) der Halbleiterschichtenfolge (2) beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nur die zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) mit einer Aufrauung (51) zur Erhöhung einer Lichtauskoppeleffizienz versehen ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Vielzahl der Emittereinheiten (1) umfasst, wobei die Emittereinheiten (1) gemeinsam eine Emissionsfläche (11) bilden, die aus den zur Strahlungsemission eingerichtetem Seitenflächen (27) zusammengesetzt ist, und wobei die Emittereinheiten (1) in einer linearen oder in einer zweidimensionalen Anordnung vorliegen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem benachbarte Emittereinheiten (1) an ihren Hauptflächen (24, 25) und/oder zumindest an gegenüberliegenden Seitenflächen (26), die nicht zur Strahlungsemission vorgesehen sind, aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil der Emittereinheiten (1) über ihre Kontaktflächen (31, 32) unmittelbar mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Emittereinheiten (1) oder Gruppen von Emittereinheiten (1) elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wobei verschiedenfarbig emittierende Emittereinheiten (1) vorhanden sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem allen Emittereinheiten (1) gemeinsam an den nicht zur Strahlungsemission vorgesehenen Seitenflächen (26) zumindest ein Seitenteil (44) des Reflektors (4) angebracht ist, wobei das Seitenteil (44) diffus reflektierend und elektrisch isolierend ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Anzahl (N) der Emittereinheiten (1) zwischen einschließlich 300 und 30.000 beträgt, wobei eine Dicke (T) der Halbleiterschichtenfolge (2) zwischen den Hauptseiten (24, 25) zwischen einschließlich 1 µm und 6 µm liegt, wobei eine Länge (L) der Halbleiterschichtenfolge (2) in Richtung senkrecht zu der Seitenfläche (27), die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, zwischen einschließlich 10 µm und 200 µm liegt, und wobei eine Breite (W) der Halbleiterschichtenfolge (2) in Richtung parallel zu der Seitenfläche (27), die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, zwischen einschließlich 30 µm und 1 mm liegt und die Breite (W) größer ist als die Länge (L).
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Reflektor (4) mindestens zum Teil ein metallischer Reflektor oder ein metallischer Reflektor in Kombination mit mindestens einer totalreflektierenden Schicht (34, 42) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Seitenteil (44) des Reflektors (4), das sich an den nicht zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen (26) der Halbleiterschichtenfolge (2) befindet, elektrisch von den Kontaktflächen (31, 32) getrennt ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem zumindest ein Seitenteil (44) des Reflektors (4), das sich an den nicht zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen (26) der Halbleiterschichtenfolge (2) befindet, elektrisch mit einer der Kontaktflächen (31, 32) verbunden ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich zwischen der aktiven Zone (22) und dem Reflektor (4) nur eine elektrische Isolationsschicht (42) befindet.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen Leuchtstoff (51) auf der zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27), wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) von mindestens einer Emittereinheit (1) auf AlInGaN basiert und zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) oder die Halbleiterschichtenfolge (2) zusammen mit den Kontaktflächen (31, 32) als Lichtleiter hin zu der Seitenfläche (27), die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, gestaltet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Halbleiterschichtenfolge (2) in Richtung hin zu der Seitenfläche (27), die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, in Draufsicht auf eine der Hauptseiten (24, 25) und/oder im Querschnitt durch die Hauptseiten (24, 25) gesehen verjüngt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Emittereinheit (1) in einer Kavität (65) des Reflektors (4) befindet oder die Emittereinheiten (1) jeweils in einer eigenen Kavität (65) des Reflektors (4) angeordnet sind, wobei sich die Kavität (65) oder die Kavitäten (65) in Richtung hin zur zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) verbreitern.