DE102019126021A1

DE102019126021A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102019126021A1
Application number: DE102019126021.3A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tångring
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-01
Also published as: US20220320404A1; WO2021058564A1; DE112020004606A5

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) angegeben. Das optoelektronische Halbleiterbauelement (1) weist eine Strahlungsaustrittsseite (1A), eine wärmeableitende Struktur (20) mit einer Mehrzahl von Erhebungen (200) und einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip (10) auf. Der Halbleiterchip (10) ist an der wärmeableitenden Struktur (20) angeordnet und zumindest manche der Erhebungen (200) sind an der Strahlungsaustrittsseite (1A) angeordnet.Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) angegeben.

Description

Es werden ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben.
Das optoelektronisches Halbleiterbauelement ist insbesondere zur Erzeugung und/oder Detektion von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von für das menschliche Auge wahrnehmbarem Licht, eingerichtet.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das eine verbesserte Wärmeableitung aufweist.
Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur vereinfachten Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit einer verbesserten Wärmeableitung anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Strahlungsaustrittsseite. Die aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement emittierte elektromagnetische Strahlung wird an der Strahlungsaustrittsseite des optoelektronischen Halbleiterbauelements ausgekoppelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine wärmeableitende Struktur mit einer Mehrzahl von Erhebungen. Die wärmeableitende Struktur ist insbesondere mit einem Material gebildet, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die wärmeableitende Struktur dient insbesondere der Ableitung von im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements entstehender Abwärme. Durch die Abfuhr von Abwärme wird vorteilhaft eine unzulässige Erwärmung des Halbleiterbauelements vermieden.
Eine Erhebung ist ein Bereich der wärmeableitenden Struktur, der quer, insbesondere senkrecht, zur Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur hervorsteht. Die Erhebungen überragen einen sie umgebenden Bereich.
Mittels der Mehrzahl von Erhebungen ist insbesondere die Oberfläche der wärmeableitenden Struktur vorteilhaft vergrößert. Eine größere Oberfläche ermöglicht eine verbesserte Wärmeabfuhr mittels beispielsweise Konvektion und/oder Abstrahlung. Die Erhebungen der wärmeableitenden Struktur sind insbesondere regelmäßig, beispielsweise an den Gitterpunkten eines regelmäßigen zweidimensionalen Gitters, zueinander ausgerichtet. Die Erhebungen sind, insbesondere im Rahmen einer Herstellungstoleranz, insbesondere gleich geformt und mit den gleichen geometrischen Abmessungen ausgeführt. Beispielsweise sind, insbesondere im Rahmen der Herstellungstoleranz, alle Erhebungen als Vollzylinder mit einem gleichen Durchmesser und einer gleichen Länge ausgeführt. Ferner ist es möglich, dass die Erhebungen in der Form von Rillen oder Lamellen ausgeführt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip. Der Halbleiterchip umfasst insbesondere einen monolithischen Stapel aus mehreren Halbleiterschichten, die epitaktisch abgeschieden sind.
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip umfasst bevorzugt einen aktiven Bereich, der einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweist. Bei dem Halbleiterbauelement handelt es sich beispielsweise um eine Leucht- oder eine Laserdiode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist der Halbleiterchip an der wärmeableitenden Struktur angeordnet. Durch eine Anordnung des Halbleiterchips an der wärmeableitenden Struktur ist eine besonders gute Entwärmung des Halbleiterchips möglich. Insbesondere ist der Halbleiterchip unmittelbar an der wärmeleitenden Struktur angeordnet. Eine direkte Anordnung des Halbleiterchips an der wärmeableitenden Struktur ermöglicht eine vorteilhaft verbesserte Entwärmung des Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind zumindest manche der Erhebungen an der Strahlungsaustrittsseite angeordnet. Mit anderen Worten, die Erhebungen erstrecken sich zum Beispiel in einen Halbraum um die Strahlungsaustrittsseite in den das optoelektronische Halbleiterbauelement elektromagnetische Strahlung emittiert.
Die Anordnung von Erhebungen an der Strahlungsaustrittsseite ermöglicht vorteilhaft eine flache oder im Wesentlichen ebene Ausprägung des Halbleiterbauelements an einer der Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegenden Rückseite. Somit ist eine Montage des optoelektronischen Halbleiterbauelements vorteilhaft erleichtert. Sind Erhebungen auch an der Rückseite angeordnet, so ermöglichen die Erhebungen an der Strahlungsaustrittsseite eine besonders große Fläche zur Entwärmung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Strahlungsaustrittsseite,

- eine wärmeableitende Struktur mit einer Mehrzahl von Erhebungen, und
- einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip auf, wobei
- der Halbleiterchip an der wärmeableitenden Struktur angeordnet ist, und
- zumindest manche der Erhebungen an der Strahlungsaustrittsseite angeordnet sind.

Einem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelement liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde: Beim Betrieb eines optoelektronischen Halbleiterbauelements entsteht Abwärme, die zur Erwärmung des Halbleiterbauelements führt. Um eine unzulässig hohe Temperatur des Halbleiterbauelements zu vermeiden, ist eine effiziente Abfuhr dieser Wärme vorteilhaft. Zum Beispiel werden Kühlstrukturen zur Abfuhr von Wärme in einem separaten Prozessschritt auf dem Halbleiterbauelement montiert. Insbesondere wird die Entwärmung des Halbleiterbauelements durch die Montage auf einem wärmeleitfähigen Anschlussträger, beispielsweise einer Leiterplatte mit einem Metallkern, gewährleistet. Beispielsweise ist der Metallkern einer sogenannten Metallkernplatine mit Kupfer gebildet. Durch einen zusätzlich notwendigen Prozessschritt sowie durch die Verwendung von Leiterplatten mit einem wärmeleitfähigen Kern können insbesondere erhöhte Kosten für die Herstellung eines Halbleiterbauelements entstehen.
Das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement macht unter anderem von der Idee Gebrauch, eine wärmeableitende Struktur in dem optoelektronischen Halbleiterbauelement bereits während seiner Herstellung zu integrieren. Die wärmeableitende Struktur kann somit besonders nahe und dicht an dem die Wärme produzierenden Halbleiterchip angeordnet sein. Weiterhin kann die wärmeableitende Struktur in einem gemeinsamen Verfahrensschritt mit anderen Strukturen des Halbleiterbauelements hergestellt werden. Insbesondere ist die Wärmeableitung in dem Halbleiterbauelement selbst erhöht. Vorteilhaft kann dadurch auch eine Montage auf einem Anschlussträger erfolgen, der keinen Cu-Kern aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist der Halbleiterchip mittels der wärmeableitenden Struktur elektrisch kontaktiert. Insbesondere ist der Halbleiterchip ausschließlich mittels der wärmeableitenden Struktur elektrisch kontaktiert. Die wärmeableitende Struktur ist insbesondere elektrisch leitend ausgeführt. Die wärmeableitende Struktur weist somit eine ausreichend hohe elektrische Stromtragfähigkeit auf, um den Halbleiterchip mit einem für seinen Betrieb notwendigen Strom zu versorgen. Vorteilhaft erfüllt die wärmeableitende Struktur eine doppelte Funktion als elektrischer und als thermischer Leiter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist der Halbleiterchip vollflächig mit der wärmeableitenden Struktur verbunden. Bei einer vollflächigen Verbindung ist zumindest eine Hauptfläche des Halbleiterbauelements über ihre gesamte Erstreckung in Kontakt mit der wärmeableitenden Struktur. Eine vollflächige Anbindung des Halbleiterchips an die wärmeableitende Struktur ermöglicht eine besonders effiziente Wärmeableitung aus dem Halbleiterchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die wärmeableitende Struktur zumindest stellenweise mit zumindest einem der folgenden Materialien gebildet: Kupfer, Aluminium, Gold, Diamant, diamantartigem Kohlenstoff (DLC - diamond-like carbon), Aluminiumnitrid. Das Material der wärmeableitenden Struktur weist insbesondere eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise ist die wärmeableitende Struktur mit einem Hybridmaterial aus Kupfer- und Diamant gebildet. Ein derartiges Hybridmaterial weist vorteilhaft einen besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind zumindest manche der Erhebungen an einer der Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegenden Rückseite des Halbleiterbauelements angeordnet. Beispielsweise sind Erhebungen an der Rückseite direkt unterhalb des Halbleiterchips angeordnet. Durch die räumlich besonders nahe Anordnung der rückseitigen Erhebungen an den Halbleiterchip ist eine vorteilhaft besonders gute Wärmeableitung aus dem Halbleiterchip ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das optoelektronische Halbleiterbauelement zumindest zwei Anschlusskörper auf, die die Erhebungen an der Rückseite überragen. Die Anschlusskörper sind elektrisch leitend ausgeführt und dienen zur elektrischen Versorgung des Halbleiterchips mit einem Betriebsstrom. Die Anschlusskörper überragen die Erhebungen an der Rückseite in ihrer vertikalen Erstreckung. Mit anderen Worten, die Anschlusskörper verhindern oder vermeiden einen Kontakt der rückseitigen Erhebungen mit einer darunterliegenden Fläche. Vorteilhaft sind die Erhebungen so vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Ferner ist die Zirkulation von Luft durch die Erhebungen erleichtert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen zumindest manche zueinander benachbarte Erhebungen einen Abstand von mindestens 100 µm auf. Der Abstand benachbarter Erhebungen zueinander ist insbesondere gleich der Breite der Erhebungen. Ein zu geringer Abstand der Erhebungen zueinander könnte die Luftzirkulation zwischen den Erhebungen verschlechtern. Ein ausreichend großer Abstand ist vorteilhaft, um eine effiziente Wärmeableitung aus den Erhebungen zu gewährleisten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements entspricht eine Höhe zumindest mancher der Erhebungen höchstens einer Höhe des Halbleiterchips. Die Höhe der Erhebungen entspricht ihrer vertikalen Ausdehnung. Die vertikale Ausdehnung verläuft quer, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur. Insbesondere ist der Halbleiterchip somit in der wärmeableitenden Struktur eingebettet. Eine Abschattung der vom Halbleiterchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch die wärmeableitende Struktur kann vorteilhaft vermieden werden, wenn die Ausdehnung der Erhebungen in ihrer vertikalen Richtung lediglich der Höhe des Halbleiterchips selbst entsprechen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements beträgt eine Höhe zumindest mancher der Erhebungen mindestens 250 µm. Eine höhere Erhebung verbessert vorteilhaft die Wärmeableitung aus der Erhebung an die Umgebung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen zumindest manche der Erhebungen eine zylindrische Form auf und eine Symmetrieachse zumindest einer der Erhebungen, insbesondere aller Erhebungen, verläuft senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur. Die zylindrischen Erhebungen sind insbesondere einfach herzustellen und gewährleisten eine effiziente Entwärmung der wärmeableitenden Struktur. Die senkrechte Ausrichtung der Erhebungen zur Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur ermöglicht eine besonders effiziente Wärmeableitung durch Konvektion.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen zumindest manche der Erhebungen eine Breite von mindestens 100 µm auf. Die Breite der Erhebungen entspricht ihrer maximalen Ausdehnung parallel zur Haupterstreckungsrichtung der wärmeableitenden Struktur. Die Breite der Erhebungen bestimmt unter anderem ihre mechanische Stabilität und die Wärmeableitung aus dem Grundkörper in die Erhebungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die wärmeableitende Struktur einen zumindest teilweise umlaufenden Rahmenkörper auf, wobei die wärmeableitende Struktur zumindest stellenweise in Kontakt mit dem Rahmenkörper ist. Bevorzugt ist der Rahmenkörper mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Der Rahmenkörper ist beispielsweise mit einem Polymer, insbesondere einem Epoxid gebildet. Der Rahmenkörper dient insbesondere der mechanischen Stabilisierung des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements umgibt der Rahmenkörper die wärmeableitende Struktur randseitig vollständig. Der Rahmenkörper ist somit als geschlossener Rahmen um die wärmeableitende Struktur angeordnet. Insbesondere überragt der Rahmenkörper den Halbleiterchip in seiner vertikalen Ausdehnung, quer zu seiner Haupterstreckungsebene. Dadurch kann der Rahmenkörper den Halbleiterchip vor mechanischen Beschädigungen schützen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die wärmeableitende Struktur ein elektrisch isolierendes Substrat auf. Das Substrat ist elektrisch isolierend, weist jedoch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Ein elektrisch isolierendes Substrat erleichtert beispielsweise die elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips über die wärmeableitende Struktur. Das Substrat dient zudem insbesondere der mechanischen Stabilisierung der wärmeableitenden Struktur. Das Substrat ist dazu insbesondere mechanisch selbstragend ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist das Substrat mit einem keramischen Material, insbesondere mit Aluminiumnitrid gebildet. Das keramische Material zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe mechanische Stabilität aus. Ferner ist das keramische Material bevorzugt elektrisch isolierend ausgeführt. Aluminiumnitrid ist ein keramisches Material, das eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements entspricht eine Querschnittsfläche der wärmeableitenden Struktur parallel zu ihrer Haupterstreckungsebene mindestens einer achtfachen Querschnittsfläche des Halbleiterchips parallel zu seiner Haupterstreckungsebene. Bevorzugt entspricht eine Querschnittsfläche der wärmeableitenden Struktur parallel zu ihrer Haupterstreckungsebene mindestens einer 20-fachen Fläche und besonders bevorzugt einer 50-fachen Fläche der Querschnittsfläche des Halbleiterchips parallel zu seiner Haupterstreckungsebene. Die Querschnittsfläche ist als laterale Ausdehnung in einer Aufsicht zu verstehen. Ein größeres Flächenverhältnis ermöglicht vorteilhaft eine bessere Entwärmung des Halbleiterchips.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben. Das optoelektronische Bauelement kann insbesondere mittels einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Das heißt, sämtliche im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements offenbarten Merkmale sind auch für das optoelektronische Halbleiterbauelement offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement eine Strahlungsaustrittsseite auf. Auf der Strahlungsaustrittsseite erfolgt eine Auskopplung von in dem Halbleiterbauelement im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung.
In einem Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats. Das Substrat ist mit einem Material gebildet, das elektrisch isolierend ist und insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise ist das Substrat mit einem keramischen Material, insbesondere Aluminiumnitrid, gebildet. Das Substrat ist bevorzugt eine mechanisch stabilisierende Komponente des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements erfolgt das Abscheiden eines Grundkörpers an der der Strahlungsaustrittsseite zugewandten Seite des Substrats. Der Grundkörper ist insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, das bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise ist der Grundkörper mit Kupfer gebildet. Der Grundkörper wird insbesondere mit einer im Rahmen einer Herstellungstoleranz gleichmäßigen Dicke auf dem Substrat abgeschieden. Mit anderen Worten, die der Strahlungsaustrittsseite zugewandte Seite des Substrats ist insbesondere vollständig von dem Grundkörper bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements beträgt die Dicke des Grundkörpers zwischen einschließlich 10 µm und einschließlich 1000 µm. Bevorzugt beträgt die Dicke des Grundkörpers zwischen einschließlich 30 µm bis 200 µm und besonders bevorzugt zwischen 50 µm bis 100 µm. Die Dicke des Grundkörpers entspricht seiner Ausdehnung senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene. Eine größere Dicke ermöglicht vorteilhaft eine verbesserte Wärmeableitung. Ein besonders dicker Grundkörper benötigt jedoch ein Substrat mit einem angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements erfolgt das Abscheiden von Erhebungen auf den Grundkörper. Eine Erhebung ist ein Bereich der wärmeableitenden Struktur, der quer, insbesondere senkrecht, zur Haupterstreckungsebene des Grundkörpers hervorsteht. Die Erhebungen überragen einen sie umgebenden Bereich des Grundkörpers.
Mittels der Mehrzahl von Erhebungen ist insbesondere die Oberfläche des Grundkörpers vorteilhaft vergrößert. Eine größere Oberfläche ermöglicht eine verbesserte Wärmeabfuhr mittels beispielsweise Konvektion und/oder Abstrahlung. Die Erhebungen der wärmeableitenden Struktur sind insbesondere regelmäßig, beispielsweise an den Gitterpunkten eines regelmäßigen zweidimensionalen Gitters, zueinander ausgerichtet. Die Erhebungen sind im Rahmen einer Herstellungstoleranz insbesondere gleich geformt und mit den gleichen geometrischen Abmessungen ausgeführt. Beispielsweise sind im Rahmen der Herstellungstoleranz alle Erhebungen als Vollzylinder mit einem gleichen Durchmesser und einer gleichen Länge ausgeführt. Ferner ist es möglich, dass die Erhebungen in der Form von Rillen oder Lamellen ausgeführt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements erfolgt vor dem Abscheiden der Erhebungen das Abscheiden einer Maskenschicht auf dem Grundkörper und das Einbringen von Aussparungen in die Maskenschicht. Die Maskenschicht ist insbesondere mit einem Photolack gebildet. Insbesondere weist die Maskenschicht eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Schichten auf, um eine ausreichende Höhe beziehungsweise Dicke der Maskenschicht zu erreichen. Die Aussparungen durchdringen die Maskenschicht bevorzugt vollständig. Die Aussparungen werden insbesondere mit dem Material der Erhebungen befüllt. Anschließend kann die Maskenschicht wieder entfernt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements erfolgt das Abscheiden des Grundkörpers mittels Elektroplattieren. Durch Elektroplattieren ist ein Material, wie zum Beispiel Kupfer, in besonders einfacher Weise auf einer flächigen Unterlage abscheidbar. Bevorzugt kann dabei ein Grundkörper mit einer besonders homogenen Dicke entlang seiner lateralen Erstreckung hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements erfolgt das Abscheiden der Erhebungen mittels Elektroplattieren. Mittels Elektroplattierens können insbesondere Erhebungen mit einem vorteilhaft hohen Aspektverhältnis hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements werden Erhebungen an der Strahlungsaustrittsseite und an einer der Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegenden Rückseite des Substrats gleichzeitig in einem gemeinsamen Verfahrensschritt hergestellt. Vorteilhaft ist somit gewährleistet, dass die Erhebungen an beiden Seiten des Substrats in einer gleichen Höhe hergestellt werden. Besonders vorteilhaft ist dadurch nur ein einziger Verfahrensschritt notwendig, um beide Seiten des Halbleiterbauelements mit Erhebungen zu versehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauelement hergestellt.
Ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauelement eignet sich insbesondere zum Einsatz als Hochleistungsleuchtdiode in beispielsweise einem Automobilscheinwerfer oder als Lichtquelle in einer Projektionsanwendung.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterbauelements ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten, Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2A bis 2C schematische Aufsichten auf hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelemente gemäß einem zweiten, einem dritten und einem vierten Ausführungsbeispielen,
3 eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, und
4 eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 umfasst eine Strahlungsaustrittsseite 1A und eine der Strahlungsaustrittsseite 1A gegenüberliegende Rückseite 1B. An der Strahlungsaustrittsseite 1A wird elektromagnetische Strahlung aus dem Halbleiterbauelement 1 ausgekoppelt.
An der Strahlungsaustrittsseite 1A ist ein Halbleiterchip 10 an einer wärmeableitenden Struktur 20 angeordnet. Der Halbleiterchip 10 umfasst einen aktiven Bereich 100, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist und einen pn-Übergang aufweist.
Ferner umfasst der Halbleiterchip 10 an der, der wärmeableitenden Struktur 20 abgewandten Seite ein optionales Konversionselement 40. Das Konversionselement 40 ist zur Konversion von elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge zu elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Wellenlänge eingerichtet, wobei sich die erste Wellenlänge von der zweiten Wellenlänge unterscheidet. Zumindest ein Teil der von dem aktiven Bereich 100 im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung wird von dem Konversionselement 40 konvertiert. Das Konversionselement 40 ist beispielsweise mit einem transluzenten Matrixmaterial gebildet, in das Partikel eines wellenlängenkonvertierenden Materials eingebettet sind.
Der Halbleiterchip 10 weist eine Höhe X3 auf. Die Höhe X3 des Halbleiterchips 10 beschreibt eine vertikale Ausdehnung des Halbleiterchips 10 in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips 10. Die Höhe X3 des Halbleiterchips 10 setzt sich zusammen aus der Höhe der epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichten und der Höhe eines optional auf den Halbleiterschichten angeordneten Konversionselements 40.
In seiner lateralen Ausdehnung ist der Halbleiterchip 10 von einem Formkörper 50 begrenzt. Der Formkörper 50 umfasst beispielsweise ein Epoxid, welches mit einem reflektierenden Füllstoff, wie beispielsweise Titandioxid, gefüllt ist. Der Formkörper 50 verringert oder unterbindet eine seitliche Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Halbleiterchip 10. Ferner dient der Formkörper 50 einer Verkapselung des Halbleiterchips 10 vor schädlichen Umwelteinflüssen.
Die wärmeableitende Struktur 20 umfasst ein Substrat 30, das in diesem Ausführungsbeispiel mit einem keramischen Material, insbesondere Aluminiumnitrid gebildet ist. Aluminiumnitrid weist eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf und ist elektrisch isolierend. Das Substrat 30 dient als mechanisch stabilisierendes Element der wärmeableitenden Struktur 20. Das Substrat 30 weist Durchführungen für elektrische Anschlüsse auf, die zur Kontaktierung des Halbleiterchips 10 vorgesehen sind. An dem Substrat 30 sind ein Grundkörper 201 sowie eine Mehrzahl von Erhebungen 200 angeordnet. Der Grundkörper 201 und die Erhebungen sind mit Kupfer gebildet. Der Grundkörper 201 ist mittels Elektroplattierens auf dem Substrat 30 abgeschieden.
Der Grundkörper 201 weist eine Dicke X1 auf. Die Dicke X1 des Grundkörpers 201 entspricht seiner Ausdehnung senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene. Die Dicke X1 des Grundkörpers 201 beträgt zwischen einschließlich 10 µm und einschließlich 1000 µm. Bevorzugt beträgt die Dicke X1 des Grundkörpers 201 zwischen einschließlich 30 µm bis 200 µm und besonders bevorzugt zwischen 50 µm bis 100 µm. Eine größere Dicke X1 des Grundkörpers 201 erhöht die Wärmeableitung des Grundkörpers 201. Die Dicke X1 des Grundkörpers 201 ist nach oben hin durch einen eventuell unpassenden Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material des Grundkörpers 201 und des Substrats 30 beschränkt. Eine Dicke X1 des Grundkörpers 201 zwischen 50 µm bis 100 µm hat sich dabei als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Die Erhebungen 200 sind auf dem Grundkörper 201 mittels Elektroplattierens aufgebracht. Die Erhebungen 200 sind beispielsweise als Vollzylinder, als Lamellen oder als Rillen ausgeformt. Die Erhebungen 200 erstrecken sich in einen Halbraum um die Strahlungsaustrittsseite 1A, in den das optoelektronischen Halbleiterbauelement 1 elektromagnetische Strahlung emittiert. Die Erhebungen 200 weisen zueinander einen Abstand Z von 100 µm auf. Ein geringerer Abstand Z der Erhebungen 200 ermöglicht eine höhere Dichte der Erhebungen 200. Bei einem zu geringen Abstand Z der Erhebungen 200 zueinander kann die Abfuhr von Wärme mittels Konvektion jedoch nachteilig erschwert sein. Ein Abstand Z der Erhebungen 200 von 100 µm hat sich als besonders vorteilhaft erweisen.
Die Erhebungen 200 weisen eine Höhe X2 auf. Die Höhe X2 der Erhebungen 200 beschreibt eine vertikale Ausdehnung der Erhebungen 200 in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur 20. Die Höhe X2 der Erhebungen 200 beträgt 250 µm. Eine größere Höhe X2 der Erhebungen 200 kann die Abfuhr von Wärme aus der wärmeableitenden Struktur 20 vorteilhaft erhöhen. Die Höhe X2 der Erhebungen 200 entspricht bevorzugt höchstens der Höhe X3 des Halbleiterchips 10. Dadurch ist eine Abschattung der aus dem Halbleiterchip 10 austretenden elektromagnetischen Strahlung durch die Erhebungen 200 vorteilhaft vermieden.
Die Erhebungen 200 weisen ferner eine Breite Y auf. Die Breite Y der Erhebungen 200 beschreibt eine laterale Ausdehnung der Erhebungen 200 in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur 20. Die Breite einer als Rille oder Lamelle ausgeformten Erhebung 200 ist durch die Ausdehnung der Rille in einer Richtung quer zu ihrer Haupterstreckungsrichtung definiert. Die Breite Y der Erhebungen 200 beträgt 100 µm. Eine geringere Breite Y der Erhebungen 200 erhöht die mögliche Dichte von Erhebungen 200, kann jedoch die Wärmeableitung aus der Grundschicht 201 in die Erhebungen 200 verringern. Eine Breite Y der Erhebungen 200 von 100 µm hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Der Halbleiterchip 10 ist mittels der wärmeableitenden Struktur 20 elektrisch kontaktiert. Dazu ist die wärmeableitende Struktur 20 in mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Bereiche A und B aufgeteilt. An dem ersten Bereich A der wärmeableitenden Struktur 20 ist ein Anschlussdraht 60 angeordnet, der mit der dem Substrat 30 abgewandten Seite des Halbleiterchips 10 verbunden ist. Der Anschlussdraht 60 ist mit einem Bonddraht gebildet. An dem zweiten Bereich B des wärmeableitenden Substrats 20 ist der Halbleiterchip 10 angeordnet.
Der gesamte wärmeableitende Körper 20 sowie der Halbleiterchip 10 sind auf einem Anschlussträger 70 angeordnet. Der Anschlussträger 70 ist eine Leiterplatte oder ein PCB (printed circuit board), das mit einem Epoxid gebildet ist. Die wärmeableitende Struktur 20 führt einen Teil der in dem Halbleiterchip 10 im Betrieb erzeugten Abwärme mittels Konvektion und Abstrahlung aus der wärmeableitenden Struktur 20 ab. Ein weiterer Teil der Abwärme des Halbleiterchips 10 wird mittels Wärmeleitung durch das Substrat 30 in den Anschlussträger 70 abgeführt. Der Teil der Abwärme, der über das Substrat 30 abgeführt wird, ist signifikant verkleinert gegenüber einer Ausführungsform ohne den wärmeableitenden Körper 20. Vorteilhaft wird so eine unzulässige Erwärmung des Halbleiterchips 10 vermieden. Ferner ist für das Substrat 30 vorteilhaft eine Verwendung von Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit ermöglicht.
Die 2A bis 2C zeigen schematische Aufsichten auf hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelemente gemäß dem zweiten, dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel.
Das in 2A gezeigte zweite Ausführungsbeispiel weist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 1 auf, dessen Halbleiterchip 10 von einem Formkörper 50 und einer Mehrzahl von Erhebungen 200 eines wärmeableitenden Elements 20 umgeben ist. Die laterale Fläche der wärmeableitenden Struktur 20 in einer Querschnittsfläche parallel zur Zeichnungsebene beträgt ein 8-faches der Querschnittsfläche des Halbleiterchips 10 parallel zur Zeichnungsebene. Mittels einer derartigen Ausgestaltung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 ist die Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 vorteilhaft vergrößert, wodurch eine verbesserte Abfuhr von Wärme aus dem Halbleiterbauelement 1 erreicht wird.
Das in 2B dargestellte dritte Ausführungsbeispiel weist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 1 auf, dessen Halbleiterchip 10 von einem Formkörper 50 und einer Mehrzahl von Erhebungen 200 eines wärmeableitenden Elements 20 umgeben ist. Die Kantenlänge der wärmeableitenden Struktur 20 ist gegenüber dem in der 2A dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel vergrößert. Die größere Kantenlänge erzeugt auch eine größere Querschnittsfläche parallel zur Blattebene und ermöglicht somit eine verbesserte Wärmeableitung. Die laterale Fläche der wärmeableitenden Struktur 20 in einer Querschnittsfläche parallel zur Zeichnungsebene beträgt ein 18-faches der Querschnittsfläche des Halbleiterchips 10 parallel zur Zeichnungsebene. Mittels der weiter vergrößerten Oberfläche der wärmeableitenden Struktur 20 ist eine weiter verbesserte Abfuhr von Wärme aus dem Halbleiterbauelement 1 verbunden.
Das in 2C gezeigte vierte Ausführungsbeispiel weist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 1 auf, dessen Halbleiterchip 10 von einem Formkörper 50 und einer Mehrzahl von Erhebungen 200 eines wärmeableitenden Elements 20 umgeben ist. Gegenüber dem in der 2B dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist die Kantenlänge der wärmeableitenden Struktur 20 weiter vergrößert. Mit einer derart großen Kantenlänge ist eine weitere Vergrößerung der Querschnittsfläche des wärmeableitenden Elements 20 möglich. Die laterale Fläche der wärmeableitenden Struktur 20 in einer Querschnittsfläche parallel zur Zeichnungsebene beträgt ein 50-faches der Querschnittsfläche des Halbleiterchips 10 parallel zur Zeichnungsebene. Mittels der weiter vergrößerten Oberfläche der wärmeableitenden Struktur 20 ist eine weiter verbesserte Abfuhr von Wärme aus dem Halbleiterbauelement 1 verbunden.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. An einer, der Strahlungsaustrittsseite 1A abgewandten Rückseite 1B des Substrats 30 sind mehrere Anschlusskörper 80 angeordnet. Die Anschlusskörper 80 dienen als Abstandshalter der wärmeableitenden Struktur 20 von einem Anschlussträger 70. Der Halbleiterchip 10 ist mittels der Anschlusskörper 80 mit einer elektrischen Betriebsspannung versorgt.
Weiterhin umfasst das hier gezeigte Ausführungsbeispiel an der Rückseite 1B auch einen Grundkörper 201 mit Erhebungen 200. Die freistehenden Erhebungen 200 an der Rückseite 1B sind besonders nah an dem Halbleiterchip 10 angeordnet, wodurch eine gute Entwärmung ermöglicht ist. Die Anordnung von Erhebungen 200 an der Strahlungsaustrittsseite 1A sowohl als auch an der Rückseite 1B ermöglicht somit eine besonders effiziente Entwärmung des Halbleiterchips 10. Die Erhebungen 200 werden auf der Rückseite 1B von den Anschlusskörper 80 überragt. Dadurch ist eine besonders gute Zirkulation von Luft durch die auf der Rückseite 1B angeordneten Erhebungen 200 gewährleistet.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel. Das hier gezeigte optoelektronische Halbleiterbauelement 1 umfasst einen Rahmenkörper 90, der die wärmeableitende Struktur 20 randseitig umgibt. Der Rahmenkörper 90 ist mit einem Epoxid gebildet. Der Rahmenkörper 90 erhöht die mechanische Stabilität des optoelektronischen Halbleiterbauelements 1.
Die wärmeableitende Struktur 20 ist in den Rahmenkörper 90 eingebettet. Die wärmeableitende Struktur 20 ist zumindest stellenweise in Kontakt mit dem Rahmenkörper 90. Der Rahmenkörper 90 ist elektrisch isolierend ausgeführt. Der Rahmenkörper 90 schließt in vertikaler Richtung bündig mit dem Halbleiterchip 10 ab. Die vertikale Richtung verläuft senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Rahmenkörpers 90. Dadurch ist der Halbleiterchip 10 besonders gut vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Bevorzugt bedeckt der Rahmenkörper 90 möglichst wenig Fläche der wärmeableitenden Struktur 20, um die Abfuhr von Wärme aus der wärmeableitenden Struktur 20 möglichst wenig zu beeinträchtigen.
Die Dicke X1 des Grundkörpers 201 ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft nicht durch einen eventuell unpassenden Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Grundkörper 201 und dem Substrat 30 beschränkt, da die Kontaktfläche zwischen dem Grundkörper 210 und dem Substrat 30 kleiner ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der wärmeableitenden Struktur 20 ist somit unabhängig von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 30 wählbar. Die wärmeableitende Struktur 20 dient sowohl der mechanischen Stabilisierung als auch zum elektrischen Anschluss des Halbleiterchips 10 und der Montage des Rahmenkörpers 90. Der erste Bereich A der wärmeableitenden Struktur 20 ist elektrisch isoliert von dem zweiten Bereich B der wärmeableitenden Struktur 20. Der erste Bereich A der wärmeableitenden Struktur 20 ist mittels des Rahmenkörpers 90 von dem zweiten Bereich B der wärmeableitenden Struktur 20 elektrisch isoliert.
Der Formkörper 50 ist an dem Halbleiterchip 10 an dem Substrat 30 angeordnet. Der Formkörper bedeckt die dem Halbleiterchip 10 zugewandte Seite des Substrats 30 vollständig.
Die 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

1: optoelektronisches Halbleiterbauelement
1A: Strahlungsaustrittsseite
1B: Rückseite
10: Halbleiterchip
100: aktiver Bereich
20: wärmeableitende Struktur
200: Erhebung
201: Grundkörper
30: Substrat
40: Konversionselement
50: Formkörper
60: Anschlussdraht
70: Anschlussträger
80: Anschlusskörper
90: Rahmenkörper
A: erster Bereich der wärmeableitenden Struktur
B: zweiter Bereich der wärmeableitenden Struktur
X1: Dicke des Grundkörpers
X2: Höhe der Erhebungen
X3: Höhe des Halbleiterchips
Y: Breite der Erhebungen
Z: Abstand der Erhebungen

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) mit einer Strahlungsaustrittsseite (1A), aufweisend - eine wärmeableitende Struktur (20) mit einer Mehrzahl von Erhebungen (200), und - einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip (10), wobei - der Halbleiterchip (10) an der wärmeableitenden Struktur (20) angeordnet ist, und - zumindest manche der Erhebungen (200) an der Strahlungsaustrittsseite (1A) angeordnet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Halbleiterchip (10) mittels der wärmeableitenden Struktur (20) elektrisch kontaktiert ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (10) vollflächig mit der wärmeableitenden Struktur (20) verbunden ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wärmeableitende Struktur (20) zumindest stellenweise mit zumindest einem der folgenden Materialien gebildet ist: Cu, Al, Au, Diamant, diamantartigem Kohlenstoff, AlN.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest manche der Erhebungen (200) an einer der Strahlungsaustrittsseite (1A) gegenüberliegenden Rückseite (1B) angeordnet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, mit zumindest zwei Anschlusskörpern (80), die die Erhebungen (200) an der Rückseite (1B) überragen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest manche zueinander benachbarte Erhebungen (200) einen Abstand von mindestens 100 µm zueinander aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Höhe (X2) zumindest mancher der Erhebungen (200) höchstens einer Höhe (X3) des Halbleiterchips (10) entspricht.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest manche der Erhebungen (200) eine zylindrische Form aufweisen und eine Symmetrieachse zumindest einer der Erhebungen (200) senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur (20) verläuft.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest manche der Erhebungen (200) die Form von Stegen aufweisen, deren Haupterstreckungsrichtungen parallel zur Haupterstreckungsebene der wärmeableitenden Struktur (20) verlaufen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem um die wärmeableitende Struktur (20) zumindest teilweise umlaufenden Rahmenkörper (90), wobei die wärmeableitende Struktur (20) zumindest stellenweise in Kontakt mit dem Rahmenkörper (90) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Rahmenkörper (90) die wärmeableitende Struktur (20) randseitig vollständig umgibt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wärmeableitende Struktur (20) ein elektrisch isolierendes Substrat (30) aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Substrat (30) mit einem keramischen Material, insbesondere mit Aluminiumnitrid gebildet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Querschnittsfläche der wärmeableitenden Struktur (20) parallel zu ihrer Haupterstreckungsebene mindestens einer achtfachen Querschnittsfläche des Halbleiterchips (10) parallel zu seiner Haupterstreckungsebene entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) mit einer Strahlungsaustrittsseite (1A), das folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Substrats (30), - Abscheiden eines Grundkörpers (201) an der der Strahlungsaustrittsseite (1A) zugewandten Seite des Substrats (30), - Abscheiden von Erhebungen (200) auf dem Grundkörper (201).
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Abscheiden des Grundkörpers (201) mittels Elektroplattierens erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei das Abscheiden der Erhebungen (200) mittels Elektroplattierens erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei Erhebungen (200) an der Strahlungsaustrittsseite (1A) und an einer der Strahlungsaustrittsseite (1A) gegenüberliegenden Rückseite (1B) des Substrats (30) gleichzeitig in einem gemeinsamen Verfahrensschritt hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt wird.