DE112011103157T5

DE112011103157T5 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtungen mit optischen Beschichtungen und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE112011103157T5
Application number: DE112011103157T
Authority: DE
Inventors: Peter S. Andrews
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2013-07-25
Also published as: US9515229B2; WO2012040093A1; US20120068209A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleitervorrichtung mit einer oder mehreren lichtemittierenden Oberflächen enthält das Positionieren einer Schablone auf einem Substrat, so dass ein auf dem Substrat angeordneter Chip in einer Öffnung der Schablone positioniert ist. Ein leuchtstoffhaltiges Material wird in die Öffnung eingebracht, um eine Beschichtung auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen des Chip auszubilden. Die Öffnung kann der Form des Chip im Wesentlichen entsprechen oder nicht. Das leuchtstoffhaltige Material wird gehärtet, während sich die Schablone noch in ihrer Position befindet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Beleuchtungsvorrichtungen und insbesondere lichtemittierende Halbleitervorrichtungen, de Wellenlängen-Konversionsmaterialien enthalten.
HINTERGRUND
Leuchtdioden und Laserdioden sind hinreichend bekannte elektronische Festkörpervorrichtungen, die bei Anlegen einer ausreichenden Spannung Licht erzeugen können. Leuchtdioden und Laserdioden können allgemein als lichtemittierende Vorrichtungen (”LEDs” für light emitting diodes) bezeichnet werden. Lichtemittierende Vorrichtungen enthalten allgemein einen p-n-Übergang, der in einer epitaktischen Schicht ausgebildet ist, die auf einem Substrat wie Saphir, Silizium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid und dgl. aufgewachsen wird.
Typischerweise enthält ein LED-Chip ein Substrat, eine auf dem Substrat ausgebildete epitaktische Zone des n-Typs und eine auf der epitaktischen Zone des n-Typs ausgebildete epitaktische Zone des p-Typs (oder umgekehrt). Um das Anlegen einer Spannung an das Gerät zu erleichtern, wird ein ohmscher Anodenkontakt auf einer p-Typ-Zone des Geräts (typischerweise einer freiliegenden epitaktischen Schicht des p-Typs) und ein ohmscher Katodenkontakt auf einer n-Typ-Zone des Geräts (wie dem Substrat oder einer freiliegenden epitaktischen Schicht des n-Typs) ausgebildet. Bei anderen Ausführungsformen braucht kein Substrat enthalten zu sein. Der Begriff ”Diode” oder ”Chip”. betrifft also typischerweise die Struktur, die mindestens zwei Halbleiterabschnitte entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen (p und n) zusammen mit irgendeiner Art ohmscher Kontakte enthält, damit Strom durch den resultierenden p-n-Übergang fließen kann.
Es ist bekannt, einen LED-Chip in einem Gehäuse unterzubringen, das eine Reihe Funktionen ausführen kann und eine Reihe Vorteile bietet. Zum Beispiel kann ein LED-Gehäuse den Chip mechanisch haltern und gegen Umwelteinflüsse schützen sowie elektrische Leiter zur Verbindung des Chip mit einer externen Schaltung und einen Kühlkörper für die wirksame Wärmeabfuhr vom Chip bereitstellen. Ein LED-Gehäuse kann auch optische Funktionen ausführen. So kann ein LED-Gehäuse z. B. optische Materialien und/oder Strukturen enthalten, wie Linsen, Reflektoren, Lichtstreuungsschichten usw., die das Ausgangslicht des Halbleiter-Chip auf eine gewünschte Weise richten können.
Bei einem typischen LED-Gehäuse 10, das in 1 dargestellt ist, ist ein LED-Chip mittels einer Lötverbindung oder leitfähigem Epoxidharz auf einem reflektierenden Becher 13 installiert. Ein oder mehrere Drahtbonden 11 verbinden die ohmschen Kontakte des LED-Chip 12 mit Leitern 15a und/oder 15b, die am reflektierenden Becher 13 angebracht oder integral mit diesem ausgeführt sein können. Der reflektierende Becher 13 kann mit einem Verkapselungsmaterial, das ein Wellenlängen-Konversionsmaterial wie Phosphorpartikel enthält, gefüllt sein. Die gesamte Baugruppe kann dann mit einem durchsichtigen Schutzharz 14 gekapselt werden, das zu einer Linse geformt werden kann, um das vom LED-Chip 12 emittierte Licht zu kollimieren.
Die von einer LED emittierte Farbe wird weitgehend von dem Material bestimmt, aus dem sie besteht. Chips aus Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) emittieren eher Photonen in niedrigeren Energiebereichen (rot und gelb) des sichtbaren Spektrums. Materialien wie Siliziumcarbid (SiC) und Gruppe-III-Nitride (z. B. AlGaN, InGaN, AlInGaN) haben größere Bandabstände und können deshalb Photonen mit höherer Energie erzeugen, die im grünen, blauen und violetten Bereich des sichtbaren Spektrums sowie im Ultraviolettbereich des elektromagnetischen Spektrums erscheinen.
Es ist oft wünschenswert, Phosphor in einem LED-Gehäuse vorzusehen, um die emittierte Strahlung in einem bestimmten Frequenzband zu verstärken und/oder um zumindest einen Teil der Strahlung zu einem anderen Frequenzband zu wandeln. Im Allgemeinen wird Licht von einem Phosphor emittiert, wenn ein Photon mit einer höheren Energie als der Bandabstand des Phosphormaterials den Phosphor passiert und absorbiert wird. Wenn das Photon absorbiert wird, wird ein elektronischer Träger im Phosphor aus dem Ruhezustand in einen erregten Zustand angeregt. Wenn der elektronische Träger wieder in den Ruhezustand abklingt, kann der Phosphor ein Photon emittieren. Das emittierte Photon kann jedoch eine niedrigere Energie als das absorbierte Photon haben. Somit kann das emittierte Photon eine Wellenlänge haben, die länger ist als die des absorbierten Photons.
Der Begriff ”Phosphor” wird hierin für alle Materialien verwendet, die Licht einer Wellenlänge absorbieren und Licht eine anderen Wellenlänge emittieren, ungeachtet der Verzögerung zwischen Absorption und Reemission und ungeachtet der beteiligten Wellenlängen. Demzufolge wird der Begriff ”Phosphor” hierin für Materialien verwendet, die manchmal als fluoreszent und/oder phosphoreszent bezeichnet werden. Im Allgemeinen absorbieren Phosphorpartikel Licht kürzerer Wellenlängen und reemittieren Licht längerer Wellenlängen. Demnach kann das von einem LED-Chip emittierte Licht einer ersten Wellenlänge zum Teil oder in seiner Gesamtheit von den Phosphorpartikeln absorbiert werden, die als Reaktion Licht einer zweiten Wellenlänge emittieren. So kann beispielsweise ein einzelner Blau emittierender LED-Chip mit einem gelben Phosphor, etwa Cer-dotiertem YttriumAluminium-Granat (YAG) umgeben sein. Das resultierende Licht, das eine Kombination aus blauem und gelbem Licht ist, kann für den Betrachter weiß erscheinen.
Verfahren zum Aufbringen von Phosphor auf einem LED-Chip enthalten konforme Beschichtungsverfahren und Mini-Glob-(Tröpfchen)-Verfahren. Konforme Beschichtungen werden traditionell durch Tauchen, Sprühen oder einfaches Flussbeschichten aufgebracht. Jedoch kann bei konformen Beschichtungsverfahren Phosphor vergeudet werden, da die Beschichtung typischerweise nicht für einen kleinen Zielbereich spezifisch ist. Bei den Mini-Glob-Verfahren wird eine kleine Harzmenge mit dispergiertem Phosphor auf (eine) spezifische(n) Stelle(n) der Oberfläche eines LED-Chip aufgebracht. Auch wenn herkömmliche Mini-Glob-Verfahren hinsichtlich der verwendeten Phosphormenge und der erzielten dCCT (Delta Color Coordinate Temperature; d. h. dem Bereich der von einem Gerät emittierten Farbtemperaturen bei Betrachtung aus einem vollen Winkelbereich) effizienter sind, sind herkömmliche Mini-Glob-Verfahren möglicherweise nicht ebenso konversionseffizient wie konforme Beschichtungsverfahren. Somit sind Verfahren zum Aufbringen von Phosphor, mit denen sich sowohl Konversionseffizienz als auch Effizienz bei der verbrauchten Phosphormenge und der erzielten dCCT wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zusammenfassung eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form bereitstellt, die in der detaillierten Beschreibung näher erläutert werden. Diese Zusammenfassung soll weder Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale dieser Offenbarung identifizieren noch den Gültigkeitsbereich der Erfindung einschränken.
Gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung (d. h. eines LED-Chip) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Oberflächen das Positionieren einer Schablone auf einem Substrat, so dass ein auf dem Substrat angeordneter Chip in einer Öffnung der Schablone positioniert ist. Phosphorhaltiges Material (z. B. Silikon) wird in die Öffnung eingebracht, um eine Beschichtung auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen des Chip auszubilden. Die eine oder die mehreren lichtemittierenden Oberflächen emittieren bei Anlegen einer Spannung an den Chip Licht einer ersten vorherrschenden Wellenlänge. Die Phosphorpartikel wandeln das von der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen emittierte Licht in Licht einer zweiten vorherrschenden Wellenlänge, die von der ersten vorherrschenden Wellenlänge verschieden ist.
Bei manchen Ausführungsformen entspricht die Öffnung im Wesentlichen der Form des Chip. Somit bildet das leuchtstoffhaltige Material eine Beschichtung auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen, die der Form des Chip entspricht. Mit anderen Worten, jede Lage der Beschichtung auf der entsprechenden lichtemittierenden Oberfläche hat eine entsprechende Oberfläche, die im Wesentlichen parallel mit der darunterliegenden lichtemittierenden Oberfläche ist. Bei anderen Ausführungsformen entspricht die Öffnung der Form des Chip im Wesentlichen nicht. Mit anderen Worten, eine oder mehrere Beschichtungslagen über einer entsprechenden lichtemittierenden Oberfläche haben eine entsprechende Oberfläche, die mit der darunterliegenden lichtemittierenden Oberfläche im Wesentlichen nicht parallel ist.
Das leuchtstoffhaltige Material wird gehärtet, wobei sich die Schablone noch in ihrer Position befindet. Es können verschiedene Verfahren angewendet werden, wie Wärmehärten, optisches Härten oder Härten bei Raumtemperatur. Nach dem Härten wird die Schablone vom Substrat entfernt und der beschichtete Chip vom Substrat getrennt. Der Chip kann dann weiterverarbeitet werden, z. B. zusätzlichen Formungsoperationen unterzogen werden, um die endgültige Linsenform zu bilden.
Um die Trennung der Schablone vom Chip zu erleichtern, ohne die gehärtete Beschichtung oder den Chip zu beschädigen, kann vor dem Einbringen des leuchtstoffhaltigen Materials in die Öffnung ein Formtrennmaterial auf die Schablone aufgebracht werden. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schablone aus einem Material gebildet oder mit diesem beschichtet werden, das die Trennung der Schablone vom Chip erleichtert. Die Schablone kann z. B. aus einem Material bestehen, dessen Wärmedehnungskoeffizient verschieden ist von dem des gehärteten leuchtstoffhaltigen Materials. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schablone aus einem Material gebildet oder mit diesem beschichtet werden, das eine niedrigere Oberflächenenergie hat als das gehärtete leuchtstoffhaltige Material, wie Polytetrafluorethylen oder Parylen.
Um die Schablone korrekt ausgerichtet auf dem lichtemittierenden Element zu halten, kann die Schablone am Substrat z. B. mittels eines Klebers befestigt werden. Außerdem können die Schablone und das Substrat durch ein Sperrmaterial versiegelt werden, das eine Leckage des leuchtstoffhaltigen Materials zwischen der Schablone und dem Substrat verhindert. Bei manchen Ausführungsformen kann der Kleber auch als Sperrmaterial dienen.
Bei manchen Ausführungsformen werden die Phosphorpartikel in dem in die Öffnung eingebrachten Material dazu gebracht, sich vor dem Härten in einer dicht gepackten Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen des Chips anzuordnen. Das Material wird dann gehärtet, um die dicht gepackte Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen in ihrer Position zu sichern. Da die dicht gepackte Schicht der Phosphorpartikel auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen liegt, ist das Beschichtungsmaterial über der dicht gepackten Schicht der Phosphorpartikel frei von Phosphorpartikeln und kann entfernt und/oder reduziert werden. Da außerdem die dicht gepackte Schicht der Phosphorpartikel mit der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen in Kontakt steht, kann der Wärmeübergang zwischen den Phosphorpartikeln und dem Chip im Vergleich zu herkömmlichen LEDs erheblich verbessert werden. Zum Beispiel ist der durchschnittliche Weg, den die von den Phosphorpartikeln erzeugte Wärme von der dicht gepackten Schicht zum Chip zurücklegt, wesentlich kürzer als etwa die Hälfte der Beschichtungsdicke.
Bei manchen Ausführungsformen erfolgt das Veranlassen der Phosphorpartikel, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen, indem der Chip einer Zentrifugalkraft ausgesetzt wird. Bei manchen Ausführungsformen erfolgt das Veranlassen der Phosphorpartikel, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der lichtemittierenden Oberfläche anzuordnen, indem das leuchtstoffhaltige Material mindestens einer Harmonischen, z. B. über einen Schwingungstisch, ausgesetzt wird.
Bei anderen Ausführungsformen erfolgt das Veranlassen der Phosphorpartikel, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen, durch Erwärmen des Materials auf eine vorgegebene Temperatur über eine vorgegebene Zeit, um die Viskosität des Materials so zu senken, dass sich die Phosphorpartikel durch die Schwerkraft setzen können. Bei manchen Ausführungsformen kann das Material direkt erwärmt werden. Bei manchen Ausführungsformen kann das Material direkt oder über den Chip indirekt erwärmt werden. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt das Veranlassen der Phosphorpartikel, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen, durch Aufbringen eines Lösungsmittels wie Hexan oder Xylol vor dem Härten des Materials auf dem aufgebrachten leuchtstoffhaltigen Material.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Viskosität des leuchtstoffhaltigen Materials durch Zufügen eines Lösungsmittels wie Hexan oder Xylol verringert werden.
Das Lösungsmittel senkt die Viskosität, indem die Polymerketten (z. B. Silikonketten) des leuchtstoffhaltigen Materials aufgebrochen werden, wodurch die Phosphorpartikel herausfallen. Das Lösungsmittel wird anschließend z. B. durch Verdampfen vor dem Härten des leuchtstoffhaltigen Materials entfernt. Die Polymerketten werden nach dem Entfernen des Lösungsmittels wiederhergestellt.
Bei manchen Ausführungsformen kann gehärtetes Material über der dicht gepackten Schicht der Phosphorpartikel, dass frei von Phosphorpartikeln ist, entfernt werden, um die Dicke der Beschichtung auf dem Chip zu verringern.
Gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Schablone so konfiguriert sein, dass sie eine Beschichtung auf eine Mehrzahl Chips aufbringt. Die Schablone wird so positioniert, dass jedes einer Mehrzahl lichtemittierender Halbleiterelemente auf einem Substrat innerhalb einer entsprechenden einer Mehrzahl Öffnungen in der Schablone liegt. Das leuchtstoffhaltige Material wird dann in jede der Öffnungen eingebracht und gehärtet wie oben beschrieben. Außerdem können die Phosphorpartikel veranlasst werden, auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen eine dicht gepackte Schicht zu bilden wie oben beschrieben.
Gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung (z. B. ein LED-Chip) mindestens eine lichtemittierende Oberfläche, die bei Anlagen einer Spannung an den Chip Licht einer ersten vorherrschenden Wellenlänge emittiert, und eine Beschichtung aus leuchtstoffhaltigem Material (z. B. Silikon) auf der mindestens einen lichtemittierenden Oberfläche, wobei die Phosphorpartikel das von der lichtemittierenden Oberfläche emittierte Licht zu Licht einer zweiten vorherrschenden Wellenlänge wandeln, die von der ersten vorherrschenden Wellenlänge verschieden ist. Die Beschichtung wird durch Einbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials in eine Öffnung einer Schablone ausgebildet, in der der Chip positioniert ist. Das Material wird gehärtet und dann die Schablone entfernt. Bei manchen Ausführungsformen sind die Phosphorpartikel im Beschichtungsmaterial in einer dicht gepackten Lage in der Beschichtung auf der mindestens einen lichtemittierenden Oberfläche so angeordnet, dass die mindestens eine lichtemittierende Oberfläche mit der Lage der Phosphorpartikel in Kontakt steht.
Gemäß anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung das Positionieren einer Schablone auf einem Substrat, so dass ein auf dem Substrat angeordnetes lichtemittierendes Halbleiterelement in einer Öffnung der Schablone positioniert ist, und Einbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials in die Öffnung, um eine Beschichtung auf einer lichtemittierenden Oberflächen des lichtemittierenden Halbleiterelements auszubilden. Phosphorpartikel im Material werden dazu gebracht, sich im Material auf der lichtemittierenden Oberfläche in einer dicht gepackten Schicht anzuordnen, wenn die Menge des leuchtstoffhaltigen Materials zum Wandeln des Lichtes auf einen gewünschten Farbpunkt ausreicht. Das Material wird dann gehärtet, ohne die dicht gepackte Schicht Phosphorpartikel zu stören. Bei manchen Ausführungsformen wird die Lichtkonversion durch das leuchtstoffhaltige Material im Wesentlichen in Echtzeit gemessen, wenn das leuchtstoffhaltige Material auf die lichtemittierende Oberfläche aufgebracht wird. Die Phosphorpartikel werden dazu gebracht, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der lichtemittierenden Oberfläche anzuordnen, indem ein Lösungsmittel auf das leuchtstoffhaltige Material aufgebracht wird. Das Lösungsmittel wird vor dem Härten entfernt. Die Schablone wird dann vom Substrat entfernt.
Es sei darauf hingewiesen, dass Aspekte der Erfindung, die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, in einer anderen Ausführungsform enthalten sein können, auch wenn dies nicht eigens diesbezüglich beschrieben wird. Das heißt, alle Ausführungsformen und/oder Merkmale jeder Ausführungsform können in beliebiger Weise und/oder in beliebiger Kombination kombiniert werden. Die Anmelderin behält sich das Recht vor, jeden ursprünglich eingereichten Anspruch zu ändern oder einen neuen Anspruch entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechtes, jeden ursprünglich eingereichten Anspruch zu ändern, um auf jedes Merkmal zu reagieren und/oder jedes Merkmal jedes anderen Anspruchs einzubeziehen, auch wenn es nicht in dieser Weise ursprünglich beansprucht wurde. Diese und andere Aufgaben und/oder Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend ausführlich erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die zum besseren Verständnis der Erfindung beitragen sollen, werden einbezogen und bilden Bestandteil dieser Anmeldung und stellen (eine) bestimmte Ausführungsformen) der Erfindung dar.
1 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer herkömmlich gepackten LED.
2A ist eine Schnittansicht eines LED-Chip, der innerhalb einer Öffnung einer Schablone positioniert ist, gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei die Öffnung im Wesentlichen der Form des Chip entspricht.
2B zeigt leuchtstoffhaltiges Material, das in die Öffnung der Schablone von 2A eingebracht wird, um eine Beschichtung auf den lichtemittierenden Oberflächen des Chip auszubilden.
2C zeigt den beschichteten Chip von 2B, der vom Substrat und der Schablone getrennt worden ist.
3A ist eine Schnittansicht eines LED-Chip, der innerhalb einer Öffnung einer Schablone positioniert ist, gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei die Öffnung der Form des Chip nicht entspricht.
3B zeigt leuchtstoffhaltiges Material, das in die Öffnung der Schablone von 3A eingebracht wird, um eine Beschichtung auf den lichtemittierenden Oberflächen des Chip auszubilden.
3C zeigt den beschichteten Chip von 3B, der vom Substrat und der Schablone getrennt worden ist.
4A ist eine Schnittansicht eines LED-Chip, der innerhalb einer Öffnung einer Schablone positioniert ist, gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei die Öffnung der Form des Chip nicht entspricht
4B zeigt leuchtstoffhaltiges Material, das in die Öffnung der Schablone von 4A eingebracht wird, um eine Beschichtung auf den lichtemittierenden Oberflächen des Chip auszubilden.
4C zeigt den Chip von 4B, nachdem die Phosphorpartikel im Beschichtungsmaterial in einer dicht gepackten Schicht auf den lichtemittierenden Oberflächen des Chip angeordnet worden sind.
4D zeigt den beschichteten Chip von 4C, der vom Substrat und der Schablone getrennt worden ist.
5 ist eine Draufsicht einer Schablone mit einer Mehrzahl Öffnungen zur Aufnahme einer entsprechenden Mehrzahl LED-Chips zum Beschichten gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt Schnittansichten einer Mehrzahl LED-Chips zur Herstellung lichtemittierender Halbleitervorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7 bis 9 sind Flussdiagramme von Operationen zur Herstellung lichtemittierender Halbleitervorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Die Erfindung kann jedoch auf zahlreiche verschiedene Arten ausgeführt werden und sollte nicht dahingehend verstanden werden, dass sie auf die hierin angegebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Diese Ausführungsformen sollen vielmehr diese Offenbarung umfassend und vollständig darlegen und dem Fachmann den Gültigkeitsbereich der Erfindung vermitteln. In den Zeichnungen können die Größen und relativen Größen der Schichten und Zonen der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt sein. Identische Bezugszeichen kennzeichnen insgesamt gleiche Elemente.
Es versteht sich, dass dann, wenn ein Element wie eine Schicht, Zone oder ein Substrat als ”auf einem anderen Element beschrieben wird, es direkt auf dem anderen Element oder mit dazwischen liegenden Elementen angeordnet sein kann. Es versteht sich, dass dann, wenn ein Teil eines Elements wie eine Oberfläche als ”innere/r/s” beschrieben wird, es weiter von der Außenseite des Geräts entfernt ist als andere Teile des Elements. Ferner können relative Begriffe wie ”unter” oder ”über(lagert)” hierin verwendet werden, um die Beziehung einer Schicht oder Zone zu einer anderen Schicht oder Zone relativ zum Substrat oder zur Basisschicht wie in den Figuren dargestellt zu beschreiben. Es versteht sich, dass diese Begriffe verschiedene Ausrichtungen des Geräts zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Ausrichtung abdecken sollen. Schließlich bedeutet der Begriff ”direkt”, dass keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden sind. Wie hierin verwendet, enthält der Begriff ”und/oder” sämtliche Kombinationen aus einer oder mehrerer der zugehörigen aufgeführten Positionen.
Obwohl die Begriffe erster/erste/erstes, zweiter/zweite/zweites usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Bauteile, Zonen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, versteht es sich, dass diese Elemente, Bauteile, Zonen, Schichten und/oder Abschnitte durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden. Diese Begriffe dienen nur dazu, ein Element, ein Bauteil eine Zone eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Element, Bauteil, einer anderen Zone, Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Ein nachstehend erörtertes erstes Element, Bauteil, erste Zone, Schicht oder erster Abschnitt könnte deshalb auch als zweites Element, Bauteil, zweite Zone, Schicht oder zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der Begriff ”dicht gepackt” wie hierin verwendet bedeutet, dass eine erste Schicht eine hohe Konzentration Phosphorpartikel enthält und eine zweite Schicht über der ersten Schicht eine wesentlich geringere Konzentration Phosphorpartikel als die erste Schicht enthält. Der Begriff ”dicht gepackt” bezieht sich auch auf jede Partikelpackung mit einer größeren Partikeldichte als sie natürlich vorläge, wenn die Technik nicht angewendet werden würde. Wenn z. B. eine Schicht aus Phosphorpartikeln typischerweise eine Dicke ”X” hat, würde die dichte Packung der Partikel gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Dicke ”< X” resultieren.
Ausführungsformen der Erfindung werden hierin unter Bezugnahme auf Schnittansichten, perspektivische Ansichten und/oder Draufsichten beschrieben, bei denen es sich um Darstellungen idealisierter Ausführungsformen der Erfindung handelt. Somit sind Abweichungen von den dargestellten Formen z. B. aufgrund von Herstellungstechniken und/oder Toleranzen zu erwarten. Ausführungsformen der Erfindung sollten also nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie auf die hierin dargestellten bestimmten Formen beschränkt sind, sondern Formabweichungen enthalten, die sich z. B. durch die Herstellung ergeben. Eine Zone, die z. B. als Rechteck dargestellt oder beschrieben ist, hat typischerweise aufgrund der normalen Fertigungstoleranzen gerundete oder gekrümmte Merkmale. Die in den Figuren dargestellten Zonen sind also schematischer Natur und ihre Formen sollen die präzise Form einer Zone eines Geräts nicht abbilden und den Gültigkeitsbereich der Erfindung nicht einschränken.
Sofern nicht anderweitig definiert, haben alle hierin verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) dieselbe Bedeutung, wie sie ein Durchschnittfachmann, an den sich diese Erfindung richtet, allgemein versteht. Ferner versteht es sich, dass Begriffe wie die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definierten so zu interpretieren sind, dass ihre Bedeutung mit der Bedeutung in Zusammenhang mit der einschlägigen Technik übereinstimmt, und sie nicht in idealisiertem oder überformellem Sinn zu interpretieren sind, sofern dies nicht ausdrücklich hierin definiert ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nutzen geformte Hohlstrukturen, um den Phosphor auf Basis der Emissionskennlinie eines verwendeten Chip genau zu verteilen. Verschiedene Formen können verwendet werden, um verschiedene Phosphormengen auf unterschiedlichen Flächen/Facetten eines Chip aufzubringen, um die Konversionseffizienz ausgeglichener zu machen.
Wie in 2A dargestellt wird eine Schablone 20 auf einem Substrat 22 so positioniert, dass ein lichtemittierendes Halbleiterelement oder ein auf dem Substrat 22 angeordneter LED-Chip 30 innerhalb einer Öffnung 21 der Schablone 20 positioniert ist. Um die Schablone 20 korrekt ausgerichtet auf Chip 30 zu halten, kann die Schablone 20 mit dem Substrat 22 verklebt werden (z. B. mittels eines Silikonklebers). Außerdem können andere Verfahren zum Befestigen der Schablone 20 auf dem Substrat 22 angewendet werden. Ferner können die Schablone 20 und das Substrat 22 durch ein Sperrmaterial (nicht dargestellt) versiegelt werden, um eine Leckage des leuchtstoffhaltigen Materials zwischen der Schablone 20 und dem Substrat 22 zu verhindern. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Kleber wie ein Silikonkleber auch als Sperrmaterial dienen.
Bei der in 2A dargestellten Ausführungsform entspricht die Schablonenöffnung 21 im Wesentlichen der Form des dargestellten Chip. So enthält z. B. der Chip 30 eine obere lichtemittierende Oberfläche 30a und angewinkelte einander gegenüberliegende lichtemittierende Oberfläche 30b, 30c. Die Schablonenöffnung 21 enthält entsprechende einander gegenüberliegende angewinkelte Seitenwände 21a, 21b, wobei die Wand 21a im Wesentlichen parallel zur lichtemittierenden Oberfläche 30c ist. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann der gezeigte Chip 30 auch gegenüberliegende vordere und/oder hintere lichtemittierende Oberflächen enthalten. Die Schablonenöffnung 21 könnte auch entsprechende gegenüberliegende Wände enthalten, die der Form der vorderen und/oder hinteren lichtemittierenden Oberfläche entsprechen, was für einen Fachmann auf der Hand liegt.
Der LED-Chip 30 kann eine Leuchtdiode, eine Laserdiode und/oder eine andere Halbleitervorrichtung sein, das eine oder mehr Halbleiterschichten enthält, die Silizium-, Siliziumcarbid-, Galliumnitrid- und/oder andere Mikroelektronik-Substrate enthalten können, und eine oder mehr Kontaktschichten, die Metall- und/oder andere leitfähige Schichten enthalten können. Bei manchen Ausführungsformen können ultraviolette, blaue und/oder grüne LEDs bereitgestellt sein. Die Konstruktion und Herstellung von LEDs sind dem Fachmann hinreichend bekannt und brauchen hierin nicht ausführlich beschrieben zu werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können LEDs Strukturen enthalten wie die LED-Strukturen auf Galliumnitridbasis und/oder Laserstrukturen, die auf einem Siliziumcarbidsubstrat ausgebildet werden, wie die von Cree, Inc, Durham, N. C., hergestellten und vertriebenen Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung kann sich zur Verwendung mit LED- und/oder Laserstrukturen eignen, wie sie in den U.S.-Patenten Nr. 6,201,262 ; 6,187,606 ; 6,120,600 ; 5,912,477 ; 5,739,554 ; 5,631,190 ; 5,604,135 ; 5,523,589 ; 5,416,342 ; 5,393,993 ; 5,338,944 ; 5,210,051 ; 5027,168 ; 4,966,862 und/oder 4,918,497 beschrieben sind, die an den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen wurden und deren Offenbarungen hiermit in ihrer Gesamtheit einbezogen werden. Andere geeignete LED- und/oder Laserstrukturen werden in der veröffentlichten US-Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. US 2003/0006418 A1 mit dem Titel Group III Nitride Based Light Emitting Diode Structures with a Quantum Well and Superlattice, Group III Nitride Based Quantum Well Structures and Group III Nitride Based Superlattice Structures, veröffentlicht am 9. Jan. 2003, sowie in der veröffentlichten US-Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. US 2002/0123164 A1 mit dem Titel Light Emitting Diodes Including Modifications for Light Extraction and Manufacturing Methods Therefor, beschrieben, die beide an den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen wurden und deren Offenbarungen hiermit in ihrer Gesamtheit einbezogen werden. Ferner können auch leuchtmittelbeschichtete LEDs, wie die in der US-Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2004/0056260 A1, mit dem Titel Phosphor-Coated Light Emitting Diodes Including Tapered Sidewalls and Fabrication Methods Therefor, deren Offenbarung hiermit in ihrer Gesamtheit einbezogen wird, zur Verwendung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet sein.
Um die Trennung der Schablone 20 vom Chip 30 ohne Beschädigung der gehärteten Beschichtung oder des Chip zu erleichtern, kann ein Formtrennmaterial vor dem Einbringen des leuchtstoffhaltigen Materials in die Öffnung 21 auf der Schablone aufgebracht werden.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Schablone 20 aus einem Material gebildet oder mit diesem beschichtet sein, das die Trennung der Schablone vom Chip erleichtert. Die Schablone 20 kann z. B. aus einem Material mit einem Wärmedehnungskoffizienten bestehen, der verschieden ist von dem des leuchtstoffhaltigen Materials 40 (2B) und/oder des Chip 30. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schablone 20 aus einem Material gebildet oder mit diesem beschichtet sein, das eine niedrigere Oberflächenenergie hat als das gehärtete leuchtstoffhaltige Material 40, wie Polytetrafluorethylen (z. B. Teflon^®-Markenmaterialien) und Parylen. Bei manchen Ausführungsformen ist die Schablone 20 z. B. eine Folie aus Polytetrafluorethylen mit einer oder mehreren darin ausgebildeten Öffnungen 21. Die nachstehend beschriebene 5 zeigt eine Schablone 20 mit einer in Form einer Matrix darin ausgebildeten Mehrzahl Öffnungen 21 gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Schablone 20 einen Rahmen (z. B. aus Metall oder einem anderen starren oder halbstarren Material) aufweisen, der mit Polytetrafluorethylen, Parylen oder einem anderen Material mit einer niedrigeren Oberflächenenergie als die des gehärteten leuchtstoffhaltigen Materials 40 beschichtet ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Schablone 20 ein Bandmaterial aufweisen, wie Polyethylenband.
In 2B ist ein leuchtstoffhaltiges Material 40 in die Schablonenöffnung 21 eingespritzt oder anderweitig eingebracht worden und füllt die Öffnung 21 im Wesentlichen, um den Chip 30 zu bedecken und eine Beschichtung 32 auf den lichtemittierenden Oberflächen 30a, 30b, 30c desselben auszubilden. Das leuchtstoffhaltige Material 40 kann z. B. ein transparentes Harz, Silikon oder ein anderes härtbares Polymer sein. Die lichtemittierenden Oberflächen 30a bis 30c des Chip 30 emittieren bei Anlegen einer Spannung an den Chip 30 Licht einer ersten vorherrschenden Wellenlänge. Die Phosphorpartikel P im Beschichtungsmaterial 40 wandeln das von den lichtemittierenden Oberflächen 30a bis 30c emittierte Licht in Licht einer zweiten vorherrschenden Wellenlänge, die verschieden ist von der ersten vorherrschenden Wellenlänge. Wie hierin verwendet, bezieht sich ”Licht” auf jede sichtbare und/oder unsichtbare (wie ultraviolette) Strahlung, die von einem LED-Chip emittiert wird. Wie hierin verwendet, bedeutet außerdem der Begriff ”transparent”, dass zumindest ein Teil der optischen Strahlung, die in die Beschichtung aus dem leuchtstoffhaltigen Material 40 eintritt, von der Beschichtung aus dem leuchtstoffhaltigen Material 40 emittiert wird.
Die bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Phosphorpartikel P können Cer-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)- und/oder andere herkömmliche Phosphore enthalten. Die Phosphorpartikel P können mit einer Paste oder Lösung aus transparentem Material mit Silikon mittels herkömmlicher Mischtechniken vermischt werden, um so das leuchtstoffhaltige Material 40 bereitzustellen. Bei manchen Ausführungsformen kann das leuchtstoffhaltige Material 40 ein Bindemittel wie ein Epoxid, eine Matrix auf Siliziumbasis und/oder ein anderes Lösungsmittel enthalten. Bei manchen Ausführungsformen ist der Phosphor so konfiguriert, dass er zumindest einen Teil des von den lichtemittierenden Oberflächen 30a bis 30c emittierten Lichtes in der Weise wandelt, dass das von der LED 30 abgegebene Licht als weißes Licht erscheint. Die resultierende Dicke des leuchtstoffhaltigen Materials 40 auf den lichtemittierenden Oberflächen 30a bis 30c kann bei manchen Ausführungsformen der Erfindung zwischen ca. 2 μm und ca. 100 μm liegen. Es können jedoch auch andere Dicken verwendet werden. Die verwendete Dicke kann gewählt werden, um die Selbstabsorption und/oder Streuung zu verringern oder zu minimieren, und kann vom Beschichtungsprozess, der Dichte des Leuchtmittels und/oder der gewünschten Anwendung abhängen.
Die Phosphormenge im Beschichtungsmaterial 40 und die vom leuchtstoffhaltigen Material 40 bedeckte Fläche können so gewählt werden, dass eine gewünschte Lichtausbeute gegeben ist. Die Wahl kann im Voraus erfolgen oder beim Aufbau der LED 30 eingestellt werden.
Geeignete rote Phosphore für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind u. a.: Sr₂Si₅N₈:Eu₂₊ und CaAlSiN₃:Eu. Andere rote Phosphore, die verwendet werden können, sind u. a.: Phosphore aus der Eu₂₊-SiAlON-Phosphor-Familie sowie CaSiN₂:Ce₃₊, CaSiN₂:Eu₂₊ und/oder Phosphore aus der (Ca, Si, Ba) SiO₄:Eu₂₊ (BOSE)-Familie. Geeignete gelbe Phosphore sind u. a.: Y₃Al₅O₁₂:Ce₃₊ (Ce:YAG), CaAlSiN₃:Ce₃₊ und Phosphore aus der Eu₂₊SiAlON-Familie und/oder der BOSE-Familie.
Geeignete grüne Phosphore sind u. a. Phosphore der BOSE-Familie sowie CaSi₂O₂N₂:Eu₂₊. Der Phosphor kann auch beliebig stark dotiert werden, um die gewünschte Wellenlänge des Ausgangslichtes zu erzielen. Bei manchen Ausführungsformen kann der Phosphor mit Ce und/oder Eu mit einer Dotierungskonzentration im Bereich von ca. 0,1% bis ca. 20% dotiert werden. Geeignete Phosphore sind von zahlreichen Lieferanten verfügbar, einschließlich von der Mitsubishi Chemical Corparation, Tokio, Japan, dem Phosphorwerk Breitungen GmbH, Breitungen, Deutschland und der Intematix Company, Fremont, Kalifornien.
Andere geeignete Phosphore, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Nanokristalle (NCs) mit einem Cadmiumselenid-Kern, der von einem Zinksulfid-(ZnS)-Mantel umgeben ist, die kurze Wellenlängen in längere wandeln können. Solche Kristalle können grünes UV-Licht wirksam absorbieren und grün-rotes Licht emittieren. Die Absorptions- und Emissionsspektra dieser NCs können eingeregelt werden, indem der Durchmesser des CdSe-Kerns und die Dicke des ZnS-Mantels verändert werden. Außerdem haben die NCs den Vorteil einer hohen Quanteneffizienz und Photostabilität. Insbesondere induziert das Mischen der NCs mit Gold-Nanopartikeln die Kopplung zwischen CdSe/ZnS-NCs und Oberflächenplasmonen (SPs) auf dem Gold, was die Farbkonversionseffizienz verbessern kann.
Bei der in den 2B und 2C dargestellten Ausführungsform sind die Phosphorpartikel P in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung im Beschichtungsmaterial 32 dargestellt. Wie nachstehend anhand der 4A bis 4D beschrieben wird, können die Phosphorpartikel P jedoch zwangsweise in einer dicht gepackten Schicht auf den lichtemittieren Oberflächen des Chip 30 angeordnet werden.
Wie weiter aus 2B ersichtlich ist, wird das leuchtstoffhaltige Material 40 in der Öffnung 21 gehärtet und dann die Schablone 20 entfernt. Das Härten kann mittels herkömmlicher Verfahren erfolgen, die nach den Härtungseigenschaften des leuchtstoffhaltigen Materials richten. Dies kann Wärmehärten, optisches Härten oder Härten bei Raumtemperatur enthalten. Nach dem Härten wird die Schablone vom Substrat 22 entfernt und der beschichtete Chip 30 kann vom Substrat 22 zur anschließenden Verarbeitung getrennt werden, wie in 2C dargestellt ist. Die Beschichtung mit dem leuchtstoffhaltigen Material 40 entspricht im Wesentlichen der Form des Chip 30 wie dargestellt. Mit anderen Worten, jede Lage der Beschichtung auf der entsprechenden lichtemittierenden Oberfläche hat eine entsprechende Oberfläche, die im Wesentlichen parallel mit der darunterliegenden lichtemittierenden Oberfläche ist. So ist z. B. die Beschichtungsoberfläche 40a im Wesentlichen parallel mit der lichtemittierenden Oberfläche 30a, die Beschichtungsoberfläche 40b ist im Wesentlichen parallel mit der lichtemittierenden Oberfläche 30b und die Beschichtungsoberfläche 40c ist im Wesentlichen parallel mit der lichtemittierenden Oberfläche 30c.
Nunmehr sei auf die 3A bis 3C verwiesen, die eine Schablone 20 mit einer Öffnung zeigen, die nicht mit der Form des Chip 30 übereinstimmt. Die Schablonenöffnung 21 enthält im Wesentlichen senkrechte einander gegenüberliegende Wände 21a, 21b anstelle der angewinkelten Wände, die im Wesentlichen parallel mit den lichtemittierenden Oberflächen 30b, 30c sind. Die resultierende Beschichtung mit dem leuchtstoffhaltigen Material 40 auf dem Chip 30 hat eine allgemein rechteckige Form und hat nicht die gleiche Form wie der Chip 30, wie in 3C dargestellt ist.
Nunmehr sei auf die 4A bis 4D verwiesen, in denen ein Chip 30 innerhalb einer Öffnung 21 einer Schablone 20 positioniert ist (4A) und leuchtstoffhaltiges Material 40 in die Schablonenöffnung 21 eingebracht wird (4B), um eine Beschichtung auf den lichtemittierenden Oberflächen des Chips auszubilden wie oben beschrieben. Wie in 4B dargestellt ist, sind die Phosphorpartikel P im Wesentlichen gleichmäßig im Beschichtungsmaterial 40 verteilt. Vor dem Härten des leuchtstoffhaltigen Materials 40 werden die Phosphorpartikel P veranlasst, sich in einer dicht gepackten Schicht L auf den lichtemittierenden Oberflächen des Chip anzuordnen, wie in 4C dargestellt ist. Die dicht gepackte Schicht L der Phosphorpartikel P auf jeder lichtemittierenden Oberfläche 30a bis 30c erleichtert den Wärmeübergang von den Phosphorpartikeln P zum Chip 30. Außerdem verringert die Position jeder dicht gepackten Schicht L auf einer entsprechenden lichtemittierenden Oberfläche 30a bis 30c den durchschnittlichen Weg, den die von den Phosphorpartikeln P erzeugte Wärme zum Chip 30 zurücklegt. Zum Beispiel ist der durchschnittliche Weg, den die von den Phosphorpartikeln P erzeugte Wärme von der dicht gepackten Schicht L zum Chip 30 zurücklegt, wesentlich kürzer als die Hälfte der Dicke der Beschichtung 40.
Da jede dicht gepackte Schicht L der Phosphorpartikel P auf einer entsprechenden lichtemittierenden Oberfläche 30a bis 30c liegt, ist das Beschichtungsmaterial 40 auf den dicht gepackten Schichten L der Phosphorpartikel P frei von Phosphorpartikeln P und kann während der anschließenden Verarbeitung des Chip 30 entfernt und/oder reduziert werden, falls gewünscht.
Die Phosphorpartikel P können auf verschiedene Weise dazu gebracht werden, sich in einer dicht gepackten Schicht L auf einer lichtemittierenden Oberfläche des Chip anzuordnen. Bei manchen Ausführungsformen können der Chip 30 und das leuchtstoffhaltige Material 40 einer Zentrifugalkraft z. B. mittels einer Zentrifuge ausgesetzt werden. Bei manchen Ausführungsformen erfolgt das Veranlassen der Phosphorpartikel, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der lichtemittierenden Oberfläche anzuordnen, indem das leuchtstoffhaltige Material mindestens einer Harmonischen, z. B. über einen Schwingungstisch, ausgesetzt wird. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt das Veranlassen der Phosphorpartikel, sich in einer dicht gepackten Schicht L auf einer lichtemittierenden Oberfläche anzuordnen, durch Erwärmen des Beschichtungsmaterials 40 auf eine vorgegebene Temperatur und über eine vorgegebene Zeit, um die Viskosität des Beschichtungsmaterials 40 so zu senken, dass sich die Phosphorpartikel P durch die Schwerkraft auf einer lichtemittierenden Oberfläche vor dem Härten des Beschichtungsmaterials 40 setzen können. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt das Veranlassen der Phosphorpartikel P, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen, durch Aufbringen eines Lösungsmittels wie Hexan oder Xylol vor dem Härten des Materials auf dem aufgebrachten leuchtstoffhaltigen Material. Das Lösungsmittel senkt die Viskosität des flüssigen Materials, indem die Polymerketten (z. B. Silikonketten) des leuchtstoffhaltigen Materials aufgebrochen werden. Dies bewirkt, dass die Phosphorpartikel aus der lichtemittierenden Oberfläche herausfallen. Das Lösungsmittel wird anschließend z. B. durch Verdampfen vor dem Härten des leuchtstoffhaltigen Materials entfernt. Die Polymerketten werden nach dem Entfernen des Lösungsmittels wiederhergestellt. Wegen der Ausrichtung der verschiedenen Facetten eines Chip kann es erforderlich sein, den Chip zu drehen oder anderweitig neu zu positionieren, um das Setzen der Phosphorpartikel auf einer lichtemittierenden Oberfläche zu bewirken.
5 zeigt eine Schablone 20 zur Verarbeitung einer Mehrzahl Chips gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Schablone 20 enthält eine Mehrzahl Öffnungen 21, die in Form einer Matrix angeordnet sind. Die dargestellte Schablone 20 enthält 220 Öffnungen mit jeweils rechteckigen Öffnungsabmessungen von 1,2 mm × 1,2 mm. Jede Öffnung ist so dimensioniert, dass ein 1 mm × 1 mm großer Chip darin positioniert werden kann. Bei manchen Ausführungsformen beträgt die Dicke der Schablone 20 typischerweise zwischen ca. 1/2 H und 2 H, wobei H die Höhe des zu beschichtenden Chip ist. Bei manchen Ausführungsformen würde jede Öffnung 21 L + 50 μm bis I + 1 mm messen, wobei L die Abmessung des zu beschichtenden Chip ist (L könnte X oder Y betragen).
Bei der Anwendung wird die Schablone 20 so positioniert, dass sich jeder der Mehrzahl Chips auf dem Substrat innerhalb einer entsprechenden der Mehrzahl Öffnungen 21 in der Schablone 20 befindet. Ein leuchtstoffhaltiges Material 40 kann dann in jede der Öffnungen 21 eingebracht und gehärtet werden wie oben beschrieben.
Wenn jede der Öffnungen 21 in der Schablone 20 die gleiche Konfiguration hat, resultiert die Verwendung der Schablone 20 in einer im Wesentlichen gleichen Dicke des Beschichtungsmaterials auf jedem der Chips. Somit kann eine Mehrzahl Chips mit identischer Beschichtungskonfiguration erhalten und der Prozess zur Herstellung ähnlicher Chips wiederholt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die Schablone 20 Öffnungen 21 mit verschiedenen Konfigurationen enthalten, um die Dicke des Beschichtungsmaterials an verschiedenen Stellen verschiedener Chips zu ändern.
6 ist eine Schnittansicht einer Mehrzahl Chips auf einem Substrat, die mittels der Schablone von 5 beschichtet wurden. Die dargestellten Chips 30 haben jeweils eine gehärtete Beschichtung aus leuchtstoffhaltigem Material 40 auf jeweiligen lichtemittierenden Oberflächen 30a bis 30c. Die einzelnen Chips 30 können vom Substrat 22 entfernt und weiterverarbeitet werden.
Operationen zur Herstellung lichtemittierender Halbleiterelemente gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand von 7 beschrieben. Eine Schablone wird so auf dem Substrat positioniert, dass ein auf dem Substrat angeordneter Chip innerhalb einer Öffnung in der Schablone positioniert ist (Block 100). Ein leuchtstoffhaltiges Material wird in die Öffnung eingebracht, um eine Beschichtung auf einer oder mehreren lichtemittierenden Oberflächen des Chip auszubilden (Block 110). Bei manchen Ausführungsformen werden die Phosphorpartikel veranlasst, sich in einer dicht gepackten Schicht auf einer oder mehreren der lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen (Block 120). Die Ausbildung der dicht gepackten Schicht kann erleichtert werden, indem das lichtemittierende Element Zentrifugalkräften etwa mittels einer Zentrifuge ausgesetzt wird (Block 122, 8), durch ausreichendes Erwärmen den Beschichtungsmaterials, um die Viskosität so zu verringern, dass sich die Phosphorpartikel auf der Chipoberfläche setzen können (Block 124, 8) und/oder durch Aufbringen eines Lösungsmittels wie Xylol auf das Beschichtungsmaterial (Block 126, 8). Das Beschichtungsmaterial wird dann gehärtet (Block 130). Die Schablone wird entfernt (Block 140) und der beschichtete Chip kann weiterverarbeitet werden.
Anhand von 9 werden Operationen zur Herstellung von lichtemittierenden Halbleiterelementen gemäß anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine Schablone wird auf dem Substrat so positioniert, dass ein Chip auf dem Substrat innerhalb einer Öffnung in der Schablone positioniert wird (Block 200). Ein leuchtstoffhaltiges Material wird in die Öffnung eingebracht, um eine Beschichtung auf einer lichtemittierenden Oberfläche des Chip auszubilden (Block 210). Die lichtemittierende Oberfläche emittiert bei Anlegen einer Spannung an das lichtemittierende Halbleiterelement Licht einer ersten vorherrschenden Wellenlänge und die Phosphorpartikel des leuchtstoffhaltigen Materials wandeln das von der lichtemittierenden Oberfläche emittierte Licht in Licht einer zweiten vorherrschenden Wellenlänge, die von der ersten vorherrschenden Wellenlänge verschieden ist. Das Ausmaß der Lichtkonversion durch die Phosphorpartikel im leuchtstoffhaltigen Material wird gemessen (Block 220). Bei manchen Ausführungsformen wird das Ausmaß der Lichtkonversion durch die Phosphorpartikel im leuchtstoffhaltigen Material in Echtzeit gemessen, wenn das leuchtstoffhaltige Material auf die lichtemittierende Oberfläche aufgebracht wird. Bei anderen Ausführungsformen wird eine Menge hinzugefügt und dann werden Lichtkonversionsmessungen vorgenommen. Diese Iteration wird wiederholt, bis ein gewünschter Farbpunkt erreicht ist.
Wenn die Menge des leuchtstoffhaltigen Materials ausreicht, um Licht zu einem gewünschten Farbpunkt zu wandeln, wird kein leuchtstoffhaltiges Material mehr auf die lichtemittierende Oberfläche zugefügt und die Phosphorpartikel im Material werden dann verlasst, sich in einer dicht gepackten Schicht im Material auf der lichtemittierenden Oberfläche anzuordnen (Block 230). Wie oben beschrieben kann dies durch Erwärmen des leuchtstoffhaltigen Materials zum Verringern der Viskosität und/oder durch Hinzufügen eines Lösungsmittels, das ebenfalls die Viskosität des leuchtstoffhaltigen Materials verringert, erfolgen. Das Material wird dann gehärtet, ohne die dicht gepackte Schicht der Phosphorpartikel zu stören (Block 240). Wenn ein Lösungsmittel zum Verringern der Viskosität verwendet wurde, wird das Lösungsmittel z. B. durch Verdampfen vor dem Härten entfernt. Die Schablone wird entfernt (Block 250) und der beschichtete Chip kann weiteren Verarbeitungsoperationen unterzogen werden.
Obwohl hierin bestimmte Ausführungsformen beschrieben werden, sind verschiedene Kombinationen und Unterkombinationen der hierin beschriebenen Strukturen denkbar und für einen Fachmann mit Kenntnissen aus dieser Offenbarung offensichtlich.
Obiges ist für die vorliegende Erfindung beispielhaft und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Obwohl eine Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann unmittelbar, dass zahlreiche Modifikationen der Ausführungsbeispiele möglich sind, ohne wesentlich von den neuartigen Lehren und Vorteilen dieser Erfindung abzuweichen. Demzufolge sollen alle derartigen Modifikationen vom Gültigkeitsbereich dieser Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abgedeckt sein. Es versteht sich deshalb, dass Obiges beispielhaft für die vorliegende Erfindung ist und nicht dahingehend auszulegen ist, dass es auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, und dass Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen vom Gültigkeitsbereich der beigefügten Ansprüche abgedeckt sein sollen. Die Erfindung ist durch die nachfolgenden Ansprüche definiert, wobei Äquivalente der Ansprüche enthalten sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6201262 [0051]
US 6187606 [0051]
US 6120600 [0051]
US 5912477 [0051]
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US 5631190 [0051]
US 5604135 [0051]
US 5523589 [0051]
US 5416342 [0051]
US 5393993 [0051]
US 5338944 [0051]
US 5210051 [0051]
US 5027168 [0051]
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US 4918497 [0051]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung, aufweisend: Positionieren einer Schablone auf einem Substrat, so dass ein auf dem Substrat angeordnetes lichtemittierendes Halbleiterelement innerhalb einer Öffnung in der Schablone positioniert ist; Einbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials in die Öffnung, um eine Beschichtung auf einer oder mehreren lichtemittierenden Oberflächen der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung auszubilden; Härten des Materials; und Entfernen der Schablone vom Substrat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Härten des Materials ein Verfahren aus der Gruppe bestehend aus Wärmehärten, optisches Härten oder Härten bei Raumtemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Öffnung im Wesentlichen der Form des lichtemittierenden Elements entspricht, und wobei das leuchtstoffhaltige Material eine Beschichtung auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen ausbildet, die der Form des lichtemittierenden Halbleiterelements entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Öffnung eine Form hat, die der Form des lichtemittierenden Elements nicht entspricht hat, und wobei das leuchtstoffhaltige Material eine Beschichtung auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen ausbildet, die eine von der Form der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung verschiedene Form hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Formtrennmaterial vor dem Einbringen des leuchtstoffhaltigen Materials in die Öffnung auf die Schablone aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schablone ein Material aufweist, dessen Wärmedehnungskoeffizient verschieden ist von dem des gehärteten leuchtstoffhaltigen Materials.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schablone ein Material aufweist, dessen Oberflächenenergie niedriger ist als die des gehärteten leuchtstoffhaltigen Materials.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Schablone Polytetrafluorethylen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schablone einen Rahmen aufweist, der mit einem Material beschichtet ist, dessen Oberflächenenergie niedriger ist als die des gehärteten leuchtstoffhaltigen Materials.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Rahmen mit einem Material beschichtet ist, das aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen und Parylen gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schablone mit dem Substrat verklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schablone und das Substrat mit einem Sperrmaterial versiegelt werden, um eine Leckage des leuchtstoffhaltigen Materials zwischen der Schablone und dem Substrat zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Veranlassen der Phosphorpartikel im Material, sich in einer dicht gepackten Schicht im Material auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen; und Härten des Materials, ohne die dicht gepackte Schicht der Phosphorpartikel zu stören.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Veranlassen der Phosphorpartikel im Material, sich in einer dicht gepackten Schicht im Material auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen, aufweist, das lichtemittierende Halbleiterelement einer Zentrifugalkraft zu unterwerfen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Veranlassen der Phosphorpartikel im Material, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen, aufweist, das Material auf eine vorgegebene Temperatur und über eine vorgegebene Zeit zu erwärmen, um die Viskosität des Materials vor dem Härten zu senken.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Veranlassen der Phosphorpartikel im Material, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der einen oder den mehreren lichtemittierenden Oberflächen anzuordnen, aufweist, ein Lösungsmittel vor dem Härten des Materials auf das aufgebrachte leuchtstoffhaltige Material aufzubringen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Lösungsmittel aus der Gruppe bestehend aus Xylol und Hexan gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement aus der Gruppe bestehend aus Leuchtdioden und Laserdioden gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das leuchtstoffhaltige Material Silikon aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Trennen des beschichteten lichtemittierenden Halbleiterelements vom Substrat und die Weiterverarbeitung des lichtemittierenden Halbleiterelements aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Weiterverarbeitung des lichtemittierenden Halbleiterelements das Entfernen des gehärteten Materials auf der dicht gepackten Schicht aus Phosphorpartikeln aufweist, das frei ist von Phosphorpartikeln.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Positionieren der Schablone, so dass jedes der auf dem Substrat angeordneten lichtemittierenden Halbleiterelemente innerhalb einer entsprechenden einer Mehrzahl Öffnungen in der Schablone positioniert ist; und Einbringen des leuchtstoffhaltigen Materials in jede der Öffnungen.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Trennen der beschichteten lichtemittierenden Halbleiterelemente vom Substrat aufweist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung, mit: einem lichtemittierenden Halbleiterelement mit mindestens einer lichtemittierenden Oberfläche; und einer Beschichtung aus leuchtstoffhaltigem Material auf der mindestens einen lichtemittierenden Oberfläche, wobei die mindestens eine lichtemittierende Oberfläche bei Anlegen einer Spannung an das lichtemittierende Halbleiterelement Licht einer ersten vorherrschenden Wellenlänge emittiert, wobei die Phosphorpartikel das von der lichtemittierenden Oberfläche emittierte Licht in Licht einer zweiten vorherrschenden Wellenlänge wandeln, die von der ersten vorherrschenden Wellenlänge verschieden ist, und wobei die Beschichtung durch Einbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials in eine Öffnung einer Schablone ausgebildet wird, in der das lichtemittierende Halbleiterelement positioniert ist, das Material gehärtet und dann die Schablone entfernt wird.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 24, wobei Phosphorpartikel in einer dicht gepackten Lage in der Beschichtung auf der mindestens einen lichtemittierenden Oberfläche angeordnet sind, so dass die mindestens eine lichtemittierende Oberfläche in Kontakt mit der Phosphorpartikelschicht steht.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 24, wobei das Beschichtungsmaterial auf der dicht gepackten Phosphorpartikelschicht im Wesentlichen frei ist von Phosphorpartikeln.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 24, wobei das lichtemittierende Halbleiterelement aus der Gruppe bestehend aus Leuchtdioden und Laserdioden gewählt wird.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Beschichtung aus leuchtstoffhaltigem Material Silikon aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung, aufweisend: Positionieren einer Schablone auf einem Substrat, so dass ein auf dem Substrat angeordnetes lichtemittierendes Halbleiterelement innerhalb einer Öffnung in der Schablone positioniert ist; Einbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials in die Öffnung, um eine Beschichtung auf einer lichtemittierenden Oberfläche des Halbleiterelements auszubilden, wobei die lichtemittierende Oberfläche bei Anlegen einer Spannung an das lichtemittierende Halbleiterelement Licht einer ersten vorherrschenden Wellenlänge emittiert, und wobei die Phosphorpartikel im leuchtstoffhaltigen Material das von der lichtemittierenden Oberfläche emittierte Licht in Licht einer zweiten vorherrschenden Wellenlänge wandeln, die von der ersten vorherrschenden Wellenlänge verschieden ist; Veranlassen der Phosphorpartikel im Material, sich in einer dicht gepackten Schicht im Material auf der lichtemittierenden Oberfläche anzuordnen, wenn die Menge des leuchtstoffhaltigen Materials ausreicht, um das Licht zu einem gewünschten Farbpunkt zu wandeln; Härten des Materials, ohne die dichtgepackte Schicht aus Phosphorpartikeln zu stören; und Entfernen der Schablone vom Substrat.
Verfahren nach Anspruch 29, das ferner das Messen der Lichtkonversion durch das leuchtstoffhaltige Material aufweist, wenn das leuchtstoffhaltige Material in die Schablonenöffnung eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das das Veranlassen der Phosphorpartikel, sich in einer dicht gepackten Schicht auf der lichtemittierenden Oberfläche anzuordnen, aufweist, ein Lösungsmittel auf das leuchtstoffhaltige Material aufzubringen.
Verfahren nach Anspruch 31, das ferner das Entfernen des Lösungsmittels vor dem Härten aufweist.