DE112015002479B4 - Halbleiterbauelement und Beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement (1) mit einem zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer ersten Peakwellenlänge vorgesehenen Halbleiterchip (2) und einem Strahlungskonversionselement (3), das auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, wobei
- das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur (30), die die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung mit einer zweiten Peakwellenlänge umwandelt, und ein für die Primärstrahlung durchlässiges Substrat (35) aufweist;
- das Halbleiterbauelement einen Emitter (4) zur Abstrahlung von Strahlung mit einer dritten Peakwellenlänge aufweist;
- der Emitter ein weiteres Strahlungskonversionselement (41) ist;
- das Strahlungskonversionselement und das weitere Strahlungskonversionselement übereinander auf dem Halbleiterchip angeordnet sind; und
- das weitere Strahlungskonversionselement einen Leuchtstoff oder eine auf einem weiteren Substrat (43) angeordnete weitere Quantenstruktur (42) aufweist.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Halbleiterbauelement sowie eine Beleuchtungsvorrichtung.
  • Für die Hinterleuchtung von Anzeigevorrichtung, beispielsweise Flüssigkristalldisplays (LCDs), können Leuchtdioden als Strahlungsquellen eingesetzt werden. Solche Anwendungen erfordern jedoch einen hohen Gamut, um einen möglichst großen Anteil der vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farben darstellen zu können. Beispielsweise kann durch LEDs, die im blauen Spektralbereich emittieren und einen im gelben Spektralbereich emittierenden Leuchtstoff für das menschliche Auge weiß erscheinende Strahlung zwar mit hoher Effizienz, aber mit reduziertem Gamut erzeugt werden. Durch Zugabe weiterer Leuchtstoffe kann der Gamut verbessert werden, die Effizienz nimmt jedoch ab. Ein hoher Farbgamut kann weiterhin erzielt werden, wenn drei voneinander verschiedene Leuchtdioden direkt Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich erzeugen. Dies erfordert jedoch aufgrund der Ansteuerung von drei Einzelfarben eine komplexe elektronische Steuerung.
  • Die Druckschrift DE 10 2012 107 290 A1 beschreibt ein Halbleiterbauteil mit einem optoelektronischen Halbleiterchip und einem Konversionsmittelplättchen.
  • Die Druckschrift DE 10 2011 113 963 A1 betrifft ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem strahlungsemittierendem Halbleiterchip und einem Konversionselement.
  • Eine Aufgabe ist es, ein Halbleiterbauelement anzugeben, mit dem Mischstrahlung mit hoher Effizienz erzielbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 und eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem solchen Halbleiterbauelement gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer ersten Peakwellenlänge vorgesehenen Halbleiterchip auf. Die erste Peakwellenlänge liegt beispielsweise im ultravioletten oder im blauen Spektralbereich. Beispielsweise weist der Halbleiterchip einen zur Erzeugung der ersten Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich ist beispielsweise Teil eines Halbleiterkörpers mit einer Halbleiterschichtenfolge, die zum Beispiel epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat abgeschieden ist. Beispielsweise weist der Halbleiterchip einen Träger auf, auf dem der Halbleiterkörper mit der Halbleiterschichtenfolge mit dem aktiven Bereich angeordnet ist. Der Träger stabilisiert den Halbleiterkörper mechanisch. Der Träger kann das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge sein. Alternativ kann der Träger von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge verschieden sein.
  • Der Halbleiterchip weist zweckmäßigerweise eine erste Anschlussfläche und eine zweite Anschlussfläche zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips auf. Die erste Anschlussfläche und die zweite Anschlussfläche können auf derselben Seite des Halbleiterchips oder auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterchips angeordnet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement ein Strahlungskonversionselement auf, das die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung mit einer zweiten Peakwellenlänge umwandelt. Die Sekundärstrahlung weist insbesondere eine größere Peakwellenlänge auf als die Primärstrahlung. Beispielsweise liegt die zweite Peakwellenlänge im grünen, gelben oder roten Spektralbereich.
  • Insbesondere ist das Strahlungskonversionselement dafür vorgesehen, die Primärstrahlung des Halbleiterchips nur teilweise umzuwandeln, sodass das Halbleiterbauelement insgesamt eine Mischstrahlung mit der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung abstrahlt. Beispielsweise ist die Mischstrahlung für das menschliche Auge weiß erscheinendes Licht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur auf, die die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung mit der zweiten Peakwellenlänge umwandelt.
  • Die Bezeichnung Quantenstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („confinement“) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantenstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentöpfe, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
  • Beispielsweise weist die Quantenstruktur eine Mehrzahl von Quantenschichten auf, zwischen denen Barriereschichten angeordnet sind. Zum Beispiel bilden die Quantenschichten und die Barriereschichten eine Mehrfachquantentopf (Multi Quantum Well, MQW)-Struktur. Das Strahlungskonversionselement weist beispielsweise ein für die Primärstrahlung durchlässiges Substrat auf. Das Substrat dient insbesondere der mechanischen Stabilisierung der Quantenstruktur. Beispielsweise ist das Substrat mindestens fünfmal so dick wie die Quantenstruktur. Das Substrat kann ein Aufwachssubstrat für die beispielsweise epitaktische Abscheidung der Quantenstruktur sein. Alternativ kann das Substrat auch von dem Aufwachssubstrat für die Quantenstruktur verschieden sein. Das Halbleiterbauelement kann auch mehr als ein solches Strahlungskonversionselement aufweisen. Beispielsweise können zwei oder mehr Strahlungskonversionselemente, die Strahlung mit derselben Peakwellenlänge emittieren, übereinander angeordnet sein. Die Effizienz der Strahlungskonversion kann so gesteigert werden.
  • Das Substrat des Strahlungskonversionselements bedeckt den Halbleiterchip insbesondere großflächig, beispielsweise in Draufsicht auf den Halbleiterchip zu mindestens 20 % oder zu mindestens 50 %. Das Substrat kann den Halbleiterchip auf vollständig bedecken.
  • In mindestens einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer ersten Peakwellenlänge vorgesehenen Halbleiterchip und ein Strahlungskonversionselement, das auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, auf. Das Strahlungskonversionselement weist eine Quantenstruktur auf, die die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung mit einer zweiten Peakwellenlänge umwandelt. Weiterhin weist das Strahlungskonversionselement ein für die Primärstrahlung durchlässiges Substrat auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements enthält das Strahlungskonversionselement AlxInyGa1-x-yN, AlxInyGa1-x-yP oder AlxInyGa1-x-yAs. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Mit diesen Materialien kann Strahlung im grünen, gelben oder roten Spektralbereich effizient erzeugt werden. Grundsätzlich eignet sich für das Strahlungskonversionselement jedoch jedes Halbleitermaterial, dessen Bandlücke für die Erzeugung von Sekundärstrahlung mit der zu erzeugenden zweiten Peakwellenlänge geeignet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist die erste Peakwellenlänge kleiner als die zweite Peakwellenlänge. Zum Beispiel liegen die erste Peakwellenlänge im blauen Spektralbereich und die zweite Peakwellenlänge im grünen, roten oder gelben Spektralbereich. Beispielsweise liegen die erste Peakwellenlänge im blauen Spektralbereich und die zweite Peakwellenlänge im grünen Spektralbereich. Strahlung im grünen Spektralbereich wird also nicht mittels eines im grünen Spektralbereich emittierenden Halbleiterchips, sondern mittels einer Strahlungskonversion erzeugt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen Emitter zur Abstrahlung einer dritten Peakwellenlänge auf.
  • Der Begriff „Emitter“ bezeichnet allgemein ein Element, das bei einer Anregung Strahlung emittiert. Die Anregung kann beispielsweise elektrisch oder optisch erfolgen.
  • Die erste Peakwellenlänge, die zweite Peakwellenlänge und gegebenenfalls die dritte Peakwellenlänge sind zweckmäßigerweise jeweils voneinander verschieden. Beispielsweise beträgt eine Differenz zwischen den Peakwellenlängen jeweils mindestens 50 nm.
  • Beispielsweise liegen im blauen Spektralbereich, im grünen Spektralbereich und im roten Spektralbereich jeweils eine der ersten, zweiten und dritten Peakwellenlänge. Bei einer ersten Peakwellenlänge im blauen Spektralbereich und einer zweiten Peakwellenlänge im grünen Spektralbereich liegt die dritte Peakwellenlänge beispielsweise im roten Spektralbereich.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement eine Reflektorschicht auf. Die Reflektorschicht enthält beispielsweise ein Polymermaterial, das mit reflektierenden Partikeln gefüllt ist. Beispielsweise enthalten die Partikel Titandioxid, Zirconiumoxid oder Aluminiumoxid. Die Reflektorschicht weist beispielsweise für die Peakwellenlänge der Primärstrahlung eine Reflektivität von mindestens 80 % auf.
  • Beispielsweise ist die Reflektorschicht an den Halbleiterchip und/oder an das Strahlungskonversionselement angeformt. Beispielsweise grenzt die Reflektorschicht zumindest bereichsweise an den Halbleiterchip und/oder an das Strahlungskonversionselement unmittelbar an. Die Reflektorschicht ist beispielsweise mittels eines Gießverfahrens herstellbar. Unter einem Gießverfahren wird allgemein ein Verfahren verstanden, mit dem eine Formmasse gemäß einer vorgegebenen Form ausgestaltet und erforderlichenfalls ausgehärtet werden kann. Insbesondere umfasst der Begriff Gießverfahren Gießen (casting), Spritzgießen (injection molding), Spritzpressen (transfer molding), Formpressen (compression molding) und folienassistiertes Gießen (foil assisted molding).
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist die Reflektorschicht in einem Strahlenpfad zwischen dem Emitter und dem Strahlungskonversionselement angeordnet. Die Reflektorschicht verhindert also einen direkten Strahlenpfad zwischen dem Emitter und dem Strahlungskonversionselement. Absorptionsverluste innerhalb des Halbleiterbauelements, beispielsweise durch Absorption der Strahlung mit der zweiten Peakwellenlänge im Emitter und/oder Strahlung mit der dritten Peakwellenlänge im Strahlungskonversionselement, sind so vermieden oder zumindest vermindert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist der Emitter ein weiteres Strahlungskonversionselement. Beispielsweise weist das weitere Strahlungskonversionselement einen Leuchtstoff zur Erzeugung der Strahlung mit der dritten Peakwellenlänge auf. Alternativ kann der Emitter eine weitere Quantenstruktur zur Erzeugung der Strahlung mit der dritten Peakwellenlänge aufweisen. Die weitere Quantenstruktur kann insbesondere wie im Zusammenhang mit der Quantenstruktur beschrieben ausgeführt sein, wobei die Quantenstruktur und die weitere Quantenstruktur zweckmäßigerweise in voneinander verschiedenen Spektralbereichen emittieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements sind das Strahlungskonversionselement und das weitere Strahlungskonversionselement nebeneinander auf dem Halbleiterchip angeordnet. Die Strahlungskonversionselemente sind insbesondere überlappungsfrei nebeneinander auf dem Halbleiterchip angeordnet. Das Strahlungskonversionselement und das weitere Strahlungskonversionselement können aneinander angrenzen oder voneinander beabstandet sein. Beispielsweise ist die Reflektorschicht zwischen dem Strahlungskonversionselement und dem weiteren Strahlungskonversionselement angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements sind das Strahlungskonversionselement und das weitere Strahlungskonversionselement übereinander auf dem Halbleiterchip angeordnet.
  • Bei einer Ausgestaltung, bei der das weitere Strahlungskonversionselement eine weitere Quantenstruktur aufweist, kann das Strahlungskonversionselement ein weiteres Substrat aufweisen. Das Strahlungskonversionselement und das weitere Strahlungskonversionselement können bei der Herstellung also unabhängig voneinander hergestellt und nachfolgend aufeinander oder nebeneinander angeordnet sein. Alternativ können das Strahlungskonversionselement und das weitere Strahlungskonversionselement ein gemeinsames Substrat aufweisen. Beispielsweise können die Quantenstruktur und die weitere Quantenstruktur in eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge integriert oder zumindest nacheinander auf einem gemeinsamen Substrat epitaktisch abgeschieden sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen weiteren Halbleiterchip auf. Beispielweise ist das weitere Strahlungskonversionselement auf dem weiteren Halbleiterchip angeordnet. Die von dem weiteren Halbleiterchip erzeugte Strahlung kann gleich der Primärstrahlung des Halbleiterchips sein. Alternativ kann die Peakwellenlänge der weiteren Strahlung von der ersten Peakwellenlänge der Primärstrahlung verschieden sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist das weitere Strahlungskonversionselement durch einen Leuchtstoff gebildet, der in eine Umhüllung des Halbleiterchips eingebettet ist. Die Umhüllung enthält beispielsweise ein für die Primärstrahlung durchlässiges Polymermaterial, etwa ein Epoxid oder ein Silikon.
  • Bei der Herstellung des Halbleiterbauelements wird die Umhüllung beispielsweise mittels einer Formmasse ausgebildet, die an den insbesondere bereits elektrisch kontaktierten Halbleiterchip angeformt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist der Emitter der weitere Halbleiterchip. Beispielsweise weist der weitere Halbleiterchip einen aktiven Bereich zur Erzeugung der dritten Peakwellenlänge auf. Beispielsweise enthält der aktive Bereich des weiteren Halbleiterchips AlxInyGa1-x-yP oder AlxInyGa1-x-yAS, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements sind der weitere Halbleiterchip und der Halbleiterchip in eine Reflektorschicht eingebettet. Auf dem weiteren Halbleiterchip ist ein für die dritte Peakwellenlänge strahlungsdurchlässiger Körper angeordnet. Die Reflektorschicht grenzt an den strahlungsdurchlässigen Körper und an das Strahlungskonversionselement an. Auf einer Abstrahlungsseite des Halbleiterbauelements sind der strahlungsdurchlässige Körper und das Strahlungskonversionselement zumindest bereichsweise frei von der Reflektorschicht. In vertikaler Richtung, also in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs des Halbleiterchips verlaufenden Richtung, enden das Strahlungskonversionselement und der strahlungsdurchlässige Körper beispielsweise auf derselben Höhe oder im Wesentlichen auf derselben Höhe, beispielsweise mit einer Abweichung von höchstens 50 µm. Das Ausbilden der Reflektorschicht wird dadurch vereinfacht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist auf dem Strahlungskonversionselement eine dielektrische Beschichtung angeordnet. Die dielektrische Beschichtung weist beispielsweise eine Mehrzahl von dielektrischen Schichten auf, wobei aneinander angrenzende Schichten jeweils voneinander verschiedene Brechungsindizes aufweisen. Die dielektrische Beschichtung weist beispielsweise eine wellenlängenselektive Transmission auf. Die Transmission ist also für einen Spektralbereich größer also für einen anderen Spektralbereich. Zum Beispiel ist die dielektrische Beschichtung für zumindest einen Strahlungsanteil, beispielsweise die Primärstrahlung oder einen Teil der Primärstrahlung, reflektierend ausgebildet. Alternativ oder ergänzend kann das emittierte Spektrum mittels der dielektrischen Beschichtung vorgefiltert sein, beispielsweise im Hinblick auf spezifische Kundenanforderungen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist auf dem Strahlungskonversionselement eine Streuschicht angeordnet. Beispielsweise ist die Streuschicht auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Strahlungskonversionselements angeordnet. Die Streuschicht enthält beispielsweise Streupartikel mit einer Konzentration zwischen einschließlich 10 Gew% und einschließlich 30 Gew%, beispielsweise zwischen einschließlich 15 Gew% und einschließlich 25 Gew%. Eine Schichtdicke der Streuschicht beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 10 µm und einschließlich 30 µm. Die Streupartikel enthalten beispielsweise Titandioxid, Aluminiumoxid oder Zirconiumoxid.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist die Quantenstruktur auf der dem Halbleiterchip zugewandten Seite des Substrats angeordnet. Die in der Quantenstruktur entstehende Verlustwärme kann so über den Halbleiterchip abtransportiert werden. Davon abweichend kann die Quantenstruktur auch auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Substrats angeordnet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Strahlungskonversionselement eine Auskoppelstruktur auf. Die Auskoppelstruktur ist zur Erhöhung der Strahlungsauskopplung aus dem Strahlungskonversionselement vorgesehen. Beispielsweise ist die Auskoppelstruktur auf der der Quantenstruktur zugewandten Seite des Substrats angeordnet. Zum Beispiel ist die Auskoppelstruktur mittels einer strukturierten Aufwachsfläche des Substrats gebildet. Weiterhin kann die Auskoppelstruktur auf der dem Substrat abgewandten Seite der Quantenstruktur angeordnet sein. Alternativ kann die Auskoppelstruktur auf der der Quantenstruktur abgewandten Seite des Substrats angeordnet sein. Beispielsweise ist die Auskoppelstruktur in Form einer Aufrauung des Substrats ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist das Halbleiterbauelement als ein oberflächenmontierbares Bauelement (surface mounted device, SMD) ausgeführt. Das Halbleiterbauelement weist insbesondere auf der der Abstrahlungsseite abgewandten Montagefläche zumindest zwei Kontakte für die externe elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements auf.
  • Eine Beleuchtungsvorrichtung weist gemäß zumindest einer Ausführungsform zumindest ein Halbleiterbauelement und einen Anschlussträger, auf dem das Halbleiterbauelement angeordnet ist, auf. Der Anschlussträger kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Das Halbleiterbauelement kann eines oder mehrere der vorgenannten Merkmale aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist die Beleuchtungsvorrichtung für die Hinterleuchtung einer Anzeigevorrichtung, für eine Projektion, für ein Blitzlicht oder für einen Scheinwerfer ausgebildet.
  • Mit dem beschriebenen Halbleiterbauelement und der Beleuchtungsvorrichtung können insbesondere die folgenden Effekte erzielt werden.
  • Ein Strahlungskonversionselement mit einer insbesondere epitaktisch gewachsenen Quantenstruktur kann sich durch eine hohe Temperaturstabilität auszeichnen. Beispielsweise kann im roten Spektralbereich oder im grünen Spektralbereich liegende Sekundärstrahlung die hohe Temperaturstabilität einer auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf AlxInyGa1-x-yN, basierenden Leuchtdiode aufweisen. Weiterhin ist bei einem solchen Strahlungskonversionselement die Emissionswellenlänge einfach einstellbar, insbesondere durch Variation der Schichtdicken und der Materialien der Quantenstruktur. Der Konversionsgrad ist mittels der Anzahl der Quantenschichten einfach und zuverlässig einstellbar. Alternativ zu einer epitaktischen Abscheidung ist auch ein anderes Abscheideverfahren denkbar, beispielsweise Sputtern. Photolumineszente Strukturen können so besonders kostengünstig hergestellt werden.
  • Ferner hat sich gezeigt, dass die optische Anregung einer im grünen Spektralbereich emittierenden Quantenstruktur, beispielsweise auf der Basis von AlxInyGa1-x-yN, effizienter ist als eine direkte Strahlungserzeugung in einer solchen Quantenstruktur durch elektrische Anregung.
  • Weiterhin kann insbesondere verglichen zu Strahlungskonversionselementen mit Leuchtstoffen eine spektral schmalbandige Emission, beispielsweise mit einer vollen Halbwertsbreite (Full Width at Half Maximum, FWHM) von etwa 30 nm erzielt werden, während Leuchtstoffe typischerweise eine Abstrahlung mit einer vollen Halbwertsbreite zwischen etwa 50 und 100 nm bewirken. Dadurch kann eine höhere Farbreinheit erzielt werden, wodurch ein hoher Gamut mit hoher Effizienz erzielbar ist.
  • Zudem kann in dem Strahlungskonversionselement eine räumliche Trennung zwischen der Strahlungskonversion und der Streuung der Strahlung erfolgen, beispielsweise durch eine Strahlungskonversion in der Quantenstruktur und eine Streuung durch eine Auskoppelstruktur des Substrats, etwa auf der Abstrahlungsseite.
  • Strahlungskonversionselemente mit einer Quantenstruktur können sich weiterhin durch eine geringe Schichtdicke auszeichnen. Während Strahlungskonversionselemente mit Leuchtstoffen typischerweise eine Schichtdicke von etwa 100 µm aufweisen, kann mit einem Strahlungskonversionselement mit einer Quantenstruktur eine Schichtdicke von unter einem 1 µm, beispielsweise zwischen 100 nm und 1 µm, erzielt werden. Die im Betrieb entstehende Verlustwärme kann so effizienter abgeführt werden.
  • Weiterhin können Iterationszyklen bei der Herstellung neuer Halbleiterbauelemente in der Entwicklungsphase verkürzt werden, insbesondere durch die flexible Anpassbarkeit des Strahlungskonversionselements.
  • Die von der Quantenstruktur abgewandte Seite des Substrats kann weiterhin zusätzliche optische Funktionen erfüllen, beispielsweise die Funktion eines insbesondere wellenlängenselektiven Spiegels oder Filters, und/oder die Funktion einer Auskoppelstruktur, beispielsweise einer Aufrauung.
  • Das Halbleiterbauelement weist weiterhin mindestens zwei Strahlungsquellen auf, die insbesondere im Vergleich zu auf Leuchtstoff basierenden Konversionselementen schmalbandig emittieren, nämlich den Halbleiterchip und das Konversionselement mit der Quantenstruktur. Ein hoher Gamut kann so vereinfacht erzielt werden. Weiterhin ist das Abstrahlungsspektrum des Halbleiterbauelements auf einfache und zuverlässige Weise bereits allein durch die Anpassung des Strahlungskonversionselements, etwa der Schichtfolge und/oder der Schichtdicken an kundenspezifische Anforderungen anpassbar.
  • Ferner kann die Abstrahlcharakteristik einfach modifiziert werden, beispielsweise zur Erzeugung einer räumlich gerichteten Emission.
  • Streuende Schichten oder Strukturen des Halbleiterbauelements bewirken weiterhin eine effiziente Farbmischung. Mittels einer dielektrischen Beschichtung kann beispielsweise eine wellenlängenselektive Auskopplung und/oder die Ausbildung einer resonanten Kavität für die erzeugte Strahlung und/oder eine Vorfilterung des Spektrums des Halbleiterbauelements auf einfache und zuverlässige Weise erzielt werden.
  • Zudem kann eine effiziente Einkopplung in das Strahlungskonversionselement und/oder eine effiziente Auskopplung aus dem Halbleiterbauelement auf einfache Weise erzielt werden, beispielsweise durch eine in dem Substrat ausgebildete Struktur, die einen Brechungsindexgradienten bewirkt.
  • Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
  • Es zeigen:
    • 1A ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement in schematischer Schnittansicht;
    • 1B ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip;
    • 1C bis 1G verschiedene Ausführungsbeispiele für ein Strahlungskonversionselement;
    • 2A ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement;
    • 2B ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip;
    • 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6, 7A, 7B, 8A, 8B, 8C und 8D jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement;
    • 9 ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung; und
    • 10A, 10B, 11A, 11B und 12 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
  • In 1A ist ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement in schematischer Schnittansicht gezeigt. Das Halbleiterbauelement 1 weist einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer ersten Peakwellenlänge vorgesehenen Halbleiterchip 2 auf. Die erste Peakwellenlänge Primärstrahlung liegt in blauem Spektralbereich. Auf dem Halbleiterchip 2 ist ein Strahlungskonversionselement 3 angeordnet, das im Betrieb des Halbleiterbauelements im Halbleiterchip 2 erzeugte Primärstrahlung teilweise in Sekundärstrahlung mit einer zweiten Peakwellenlänge umwandelt. Das Halbleiterbauelement 1 emittiert folglich Mischstrahlung mit der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung.
  • Das Halbleiterbauelement 1 weist weiterhin einen ersten Kontakt 61 und einen zweiten Kontakt 62 auf. Der erste Kontakt 61 und der zweite Kontakt 62 sind Teilbereiche eines Leiterrahmens. Der Leiterrahmen ist stellenweise in einem Gehäusekörper 6 eingebettet. Der Halbleiterchip 2 ist in einer Kavität 67 des Gehäusekörpers 6 angeordnet.
  • Auf dem Halbleiterchip 2 ist ein Strahlungskonversionselement 3 mit einer Quantenstruktur angeordnet. Verschiedene Ausgestaltungen des Strahlungskonversionselements werden anhand der 1C bis 1G beschrieben.
  • Weiterhin können auch zwei oder mehr, beispielsweise drei gleichartige Strahlungskonversionselemente 3 übereinander angeordnet sein. Gleichartig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Peakwellenlängen der Strahlungskonversionselemente nicht oder nur geringfügig voneinander unterscheiden, beispielsweise um höchstens 20 nm. Der Konversionsgrad ist so auf einfache Weise durch die Anzahl der Strahlungskonversionselemente einstellbar.
  • Das Strahlungskonversionselement 3 ist mittels einer Befestigungsschicht 8 an dem Halbleiterchip befestigt. Die Befestigungsschicht 8 ist zweckmäßigerweise mittels eines für die Primärstrahlung durchlässigen Materials gebildet. Beispielsweise enthält die Befestigungsschicht 8 ein Polymermaterial, etwa ein Silikon. Vorzugsweise liegt der Brechungsindex zwischen 1,5 und dem Brechungsindex des an die Befestigungsschicht angrenzenden Materials des Halbleiterchips. Je größer der Brechungsindex der Befestigungsschicht 8 ist, desto geringer ist der Anteil der Strahlung, der an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterchip 2 und der Befestigungsschicht 8 reflektiert wird. Eine solche Befestigungsschicht ist ebenfalls für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele geeignet, auch wenn die Befestigungsschicht zur vereinfachten Darstellung nicht in allen Figuren gezeigt ist.
  • Der Halbleiterchip 2 und das Strahlungskonversionselement 3 sind von einer Reflektorschicht 7 umgeben. Die Reflektorschicht grenzt insbesondere unmittelbar an den Halbleiterchip 2 und das Strahlungskonversionselement 3 an.
  • Die Reflektorschicht 7 ist beispielsweise mittels eines Polymermaterials gebildet, das mit reflektierenden Partikeln versetzt ist. Beispielsweise enthält die Reflektorschicht ein Silikon oder ein Epoxid. Die Partikel enthalten beispielsweise Titanoxid, Zirconiumoxid oder Aluminiumoxid.
  • Mittels der Reflektorschicht 7 wird vermieden, dass Strahlung seitlich aus dem Halbleiterchip 2 oder dem Strahlungskonversionselement 3 austreten kann. Die erzeugte Strahlung trifft also nicht auf den Gehäusekörper 6. Das Material für den Gehäusekörper kann daher weitgehend unabhängig von seinen optischen Eigenschaften ausgewählt werden, beispielsweise im Hinblick auf eine hohe mechanische Stabilität oder eine hohe Temperaturstabilität. Die Befestigung des Halbleiterbauelements 1, beispielsweise mittels Lötens, wird so vereinfacht.
  • In vertikaler Richtung erstreckt sich das Halbleiterbauelement 1 zwischen einer Abstrahlungsseite 12 und einer der Abstrahlungsseite 12 gegenüberliegenden Montageseite 13 des Halbleiterbauelements.
  • An der Abstrahlungsseite 12 des Halbleiterbauelements 1 ist das Strahlungskonversionselement 3 zumindest stellenweise, vorzugsweise vollständig oder im Wesentlichen vollständig, beispielsweise zu mindestens 90 % der Fläche des Strahlungskonversionselements, frei von Material der Reflektorschicht 7.
  • Der erste Kontakt 61 und der zweite Kontakt 62 sind an der Montageseite 13 des Halbleiterbauelements ausgebildet und elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip 2 verbunden. Das Halbleiterbauelement ist als ein oberflächenmontierbares Halbleiterbauelement ausgebildet.
  • Eine Ausgestaltung des Halbleiterchips 2 ist in 1B schematisch gezeigt. Der Halbleiterchip 2 weist auf der der Montageseite 13 zugewandten Rückseite eine erste Anschlussfläche 25 und eine zweite Anschlussfläche 26 auf.
  • Der Halbleiterchip 2 weist einen Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschichtenfolge 200 mit einem aktiven Bereich 20 auf, der zur Strahlungserzeugung der Primärstrahlung vorgesehen ist. Der aktive Bereich 20 befindet sich zwischen einer ersten Halbleiterschicht 21 und einer zweiten Halbleiterschicht 22, wobei die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht zumindest stellenweise bezüglich des Leitungstyps voneinander verschieden sind, sodass sich der aktive Bereich 20 in einem pn-Übergang befindet. Die insbesondere epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichten des Halbleiterchips 2 sind auf einem Träger 29 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Träger ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichten des Halbleiterchips. Beispielsweise enthält der Träger Saphir oder Siliziumcarbid.
  • In dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterchip 2 in einer sogenannten Flipchip-Anordnung montiert, sodass die erste Anschlussfläche 25 und die zweite Anschlussfläche 26 auf der der Montageseite 13 zugewandten Seite des Halbleiterbauelements angeordnet sind. In Draufsicht auf das Halbleiterbauelement überlappen jeweils der erste Kontakt 61 und die erste Anschlussfläche 25 sowie der zweite Kontakt 62 und die zweite Anschlussfläche 26.
  • Bei der Herstellung des Halbleiterbauelements 1 kann der Leiterrahmen mit dem ersten Kontakt 61 und dem zweiten Kontakt 62 in einem Leiterrahmenverbund für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen vorliegen. Der Halbleiterchip 2 wird auf dem Leiterrahmenverbund montiert. Vor oder nach der Montage der Halbleiterchips wird der Leiterrahmenverbund von einem Material für den Gehäusekörper 6 umformt. Auf dem Halbleiterchip 2 wird das Strahlungskonversionselement 3 aufgebracht. Dies kann vor oder nach dem Befestigen der Halbleiterchips 2 an dem Leiterrahmenverbund erfolgen. Die an dem Leiterrahmenverbund befestigten Halbleiterchips werden von einer Formmasse für die Reflektorschicht umformt. Die einzelnen Halbleiterbauelemente 1 entstehen durch einen Vereinzelungsschritt, bei dem sowohl der Leiterrahmenverbund als auch das Material für die Gehäusekörper durchgetrennt werden. Die Gehäusekörper 6 entstehen also erst beim Vereinzeln der Halbleiterbauelemente 1. Die Seitenflächen des Gehäusekörpers 6, die das Halbleiterbauelement 1 in lateraler Richtung begrenzen, können daher zumindest stellenweise Vereinzelungsspuren, beispielsweise Sägespuren oder Spuren eines Lasertrennverfahrens aufweisen. Derartige Halbleiterbauelemente 1 können besonders kostengünstig und kompakt hergestellt werden.
  • Ausführungsbeispiele für das Strahlungskonversionselement 3 sind in den 1C bis 1G in vergrößerter Darstellung gezeigt. Das Strahlungskonversionselement 3 weist eine Quantenstruktur 30 auf. Die Quantenstruktur umfasst Quantenschichten 31, zwischen denen Barriereschichten 32 angeordnet sind.
  • Die Quantenschichten 31 und die Barriereschichten 32 bilden eine Mehrfachquantentopf-Struktur. In derartigen Quantenstrukturen findet innerhalb der Quantenschichten entlang genau einer Raumrichtung eine Quantisierung statt. Solche Quantenstrukturen sind besonders zuverlässig herstellbar und zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus. Es können aber auch andere der eingangs genannten Quantenstrukturen Anwendung finden.
  • Die Anzahl der Quantenschichten 31 kann in weiten Grenzen variiert werden. Beispielsweise weist die Quantenstruktur 30 zwischen einschließlich zwei und einschließlich 100, beispielsweise 50 Quantenschichten auf.
  • Eine Schichtdicke der Quantenschichten beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 10 nm. Eine Schichtdicke der Barrierenschichten 32 beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 100 nm, beispielsweise 15 nm. Die Barriereschichten sind vorzugsweise nominell undotiert ausgebildet. Davon abweichend können die Barriereschichten jedoch auch dotiert sein.
  • Für die Erzeugung grüner Sekundärstrahlung weisen die Quantenschichten 31 vorzugsweise AlxInyGa1-x-yN auf. Durch Erhöhung des Indium-Anteils und/oder eine Verbreiterung der Quantenschichten 31 kann die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung erhöht werden.
  • Durch weitere Erhöhung des Indium-Anteils kann auch Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge im gelben oder roten Spektralbereich erzielt werden. Für Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich eignet sich weiterhin auch das Materialsystem AlxInyGa1-x-yP.
  • Für Peakwellenlängen größer oder gleich 100 nm sind die Quantenschichten vorzugsweise frei von Aluminium oder im Wesentlichen frei von Aluminium, beispielsweise mit x ≤ 0,05. Weiterhin beträgt der Indiumgehalt y vorzugsweise etwa 50 %, beispielsweise zwischen einschließlich 0,45 und einschließlich 0,55, insbesondere zwischen einschließlich 0,44 und einschließlich 0,52. Derartige Materialien lassen sich mit hoher Kristallqualität auf Galliumarsenid epitaktisch abscheiden.
  • Das Strahlungskonversionselement 3 weist weiterhin ein Substrat 35 auf. Das Substrat 35 kann das Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung der Quantenstruktur 30 sein. Insbesondere bei einem Aufwachssubstrat, das für die Primärstrahlung nicht strahlungsdurchlässig ist, beispielsweise bei Galliumarsenid, kann die Quantenstruktur 30 auch auf ein vom Aufwachssubstrat verschiedenes Substrat übertragen werden, beispielsweise auf ein Glassubstrat. In diesem Fall ist das Substrat also verschieden von einem Aufwachssubstrat für die Quantenstruktur 30 und stabilisiert die Quantenstruktur mechanisch. Das Aufwachssubstrat ist hierfür nicht mehr erforderlich und kann entfernt werden, so dass das Strahlungskonversionselement frei von einem Aufwachssubstrat ist.
  • Eine Haupterstreckungsebene des Substrats 35 verläuft parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips, insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs des Halbleiterchips. Das Substrat 35 bedeckt den Halbleiterchip 2 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vollflächig. Davon abweichend kann eine geringere Bedeckung zweckmäßig sein. Vorzugsweise bedeckt das Substrat den Halbleiterchip großflächig, insbesondere zu mindestens 20 % oder zu mindestens 50 %.
  • Die Quantenstruktur 30 kann auf der dem Halbleiterchip 2 abgewandten Seite (1C) oder auf der dem Halbleiterchip 2 zugewandten Seite (1D) des Substrats 35 angeordnet sein.
  • Bei dem in 1E dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf dem Strahlungskonversionselement 3, insbesondere auf der der Quantenstruktur 30 abgewandten Seite des Substrats 35, eine dielektrische Beschichtung 5 ausgebildet. Die dielektrische Beschichtung kann mehrschichtig mit einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet sein, wobei sich benachbarte Schichten der dielektrischen Beschichtung bezüglich des Brechungsindizes voneinander unterscheiden. Die dielektrische Beschichtung 5 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Primärstrahlung zumindest teilweise in das Strahlungskonversionselement 3 zurückreflektiert wird und die Sekundärstrahlung nahezu ungehindert austritt. Weiterhin kann mittels der dielektrischen Beschichtung 5 eine resonante Kavität für zumindest einen Strahlungsanteil, also für die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung, gebildet sein.
  • Alternativ oder ergänzend zu einer dielektrischen Beschichtung 5 kann, wie in 1F dargestellt, auf dem Strahlungskonversionselement 3 eine Streuschicht 55 angeordnet sein. Beispielsweise enthält die Streuschicht 55 ein Polymermaterial, in dem Streupartikel angeordnet sind. Beispielsweise eignet sich eine Schicht mit einer Dicke zwischen einschließlich 10 µm und einschließlich 30 µm und mit einem Anteil an Streupartikeln in Gewichtsprozent zwischen einschließlich 10 % und einschließlich 30 %, bevorzugt zwischen einschließlich 15 % und einschließlich 25 %. Mittels der Streuschicht kann die Homogenität der abgestrahlten Strahlung im Hinblick auf die Winkelabhängigkeit des Farborts verbessert werden. Weiterhin erfolgt die Streuung in der Streuschicht 55 räumlich beabstandet von der Strahlungskonversion in der Quantenstruktur 30. Strahlungskonversion und Streuung sind so weitgehend unabhängig voneinander einstellbar. Weiterhin kann das Strahlungskonversionselement 3, insbesondere das Substrat 35, eine Auskoppelstruktur 58 aufweisen, wie dies in 1G gezeigt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Auskoppelstruktur auf der der Quantenstruktur 30 abgewandten Seite des Substrats 35 ausgebildet. Die Auskoppelstruktur kann beispielsweise unregelmäßig, etwa mittels einer Aufrauung, gebildet sein.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat 35 auch auf der der Quantenstruktur 30 zugewandten Seite eine Auskoppelstruktur aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat 35 ein vorstrukturiertes Substrat, etwa ein vorstrukturiertes Saphirsubstrat, sein.
  • Zusätzlich zu einer derartigen Auskoppelstruktur kann das Strahlungskonversionselement, wie in den 1E bis 1F beschrieben, eine Streuschicht 55 und/oder eine dielektrische Beschichtung 5 aufweisen.
  • Die beschriebenen Ausgestaltungen des Strahlungskonversionselements 3 sind auch für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Halbleiterbauelements 1 anwendbar. Zur vereinfachten Darstellung sind Details des Strahlungskonversionselements 3 in den weiteren Figuren nicht gezeigt.
  • Das in 2A dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Halbleiterchip 2 als ein Halbleiterchip ausgebildet, bei dem eine Anschlussfläche auf der Vorderseite und eine Anschlussfläche auf der Rückseite des Halbleiterchips angeordnet ist. Als Vorderseite wird die der Abstrahlungsseite zugewandte Seite des Halbleiterchips angesehen.
  • In 2B ist ein Ausführungsbeispiel für einen solchen Halbleiterchip 2 gezeigt. Von dem in 1B beschriebenen Halbleiterchip abweichend ist der Träger 29 von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichten verschieden. Ein derartiger Halbleiterchip wird auch als Dünnfilm-Halbleiterchip bezeichnet. Der Träger 29 dient der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichten, sodass das Aufwachssubstrat hierfür nicht mehr erforderlich ist und bei der Herstellung entfernt werden kann. Zur elektrischen Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht 21 weist der Halbleiterchip 2 eine Mehrzahl von Ausnehmungen 23 auf, die sich durch die zweite Halbleiterschicht und den aktiven Bereich 20 hindurch erstrecken. In den Ausnehmungen 23 ist eine erste Anschlussschicht 250 angeordnet und mit der ersten Halbleiterschicht 21 elektrisch leitend verbunden. Der Halbleiterkörper mit der Halbleiterschichtenfolge 200 ist mittels einer Verbindungsschicht 28, beispielsweise einer elektrisch leitfähigen Lotschicht oder Klebeschicht, an dem Träger 29 befestigt. Die elektrische Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht erfolgt über die erste Anschlussschicht 250, die Verbindungsschicht 28 und den Träger 29 hindurch über die erste Anschlussfläche 25. Die elektrische Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht erfolgt über eine zweite Anschlussschicht 260 und eine vorderseitige zweite Anschlussfläche 26. Die zweite Anschlussfläche 26 ist seitlich des Halbleiterkörpers 200 angeordnet, so dass eine Abschattung des aktiven Bereichs 20 durch strahlungsundurchlässige Schichten zur Kontaktierung, beispielsweise Metallschichten, vermieden wird. Die zweite Anschlussfläche 26 ist über eine Verbindungsleitung 69, beispielsweise eine Drahtbond-Verbindung, mit dem zweiten Kontakt 62 elektrisch leitend verbunden. Die zweite Anschlussschicht 260 ist insbesondere als eine Spiegelschicht für die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung ausgebildet. Bei einem derartigen Halbleiterchip 2 ist die seitliche Strahlungsauskopplung zugunsten einer erhöhten vorderseitigen Strahlungsauskopplung verringert. Auch in Abwesenheit einer seitlich an den Halbleiterchip angrenzenden Reflektorschicht tritt die Primärstrahlung überwiegend an der dem Strahlungskonversionselement zugewandten Seite aus.
  • Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann sowohl ein wie im Zusammenhang mit 1B beschriebener Halbleiterchip als auch ein wie im Zusammenhang mit 2B beschriebener Halbleiterchip Anwendung finden.
  • Das in 3A dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu ist der Halbleiterchip 2 in eine Umhüllung 65 eingebettet. Die Umhüllung 65 ist für die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung strahlungsdurchlässig ausgebildet, sodass diese auch im Strahlengang zwischen dem Halbleiterchip 2 und der Abstrahlungsseite 12 angeordnet sein kann.
  • In diesem Ausführungsbeispiel kann der Gehäusekörper 6, insbesondere die Innenfläche der Kavität 67 auch reflektierend ausgebildet sein.
  • Das Halbleiterbauelement 1 weist weiterhin zusätzlich zu dem Halbleiterchip 2 und dem Strahlungskonversionselement 3 einen Emitter 4 auf. Der Emitter 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein weiteres Strahlungskonversionselement 41 ausgebildet. Beispielsweise ist das Strahlungskonversionselement 3 zur Erzeugung von Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich und das weitere Strahlungskonversionselement 41 zur Erzeugung von Strahlung im roten Spektralbereich vorgesehen. Zusammen mit der Primärstrahlung des Halbleiterchips 2 emittiert das Halbleiterbauelement 1 also Strahlung mit jeweils einer Peakwellenlänge im roten, grünen und blauen Spektralbereich.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Strahlungskonversionselement 3 und das weitere Strahlungskonversionselement 41 nebeneinander auf den Halbleiterchip 2 angeordnet. Das Strahlungskonversionselement 3 und das weitere Strahlungskonversionselement 41 können insbesondere auch aneinander angrenzen.
  • Das weitere Strahlungskonversionselement 41 weist einen Leuchtstoff zur Erzeugung einer Strahlung mit einer dritten Peakwellenlänge auf. Der Leuchtstoff kann beispielsweise in ein Matrixmaterial, beispielsweise ein Silikon oder ein Epoxid eingebettet sein. Alternativ kann das weitere Strahlungskonversionselement als eine Keramik ausgebildet sein, die den Leuchtstoff aufweist. Leuchtstoffe zur Erzeugung von Sekundärstrahlung, beispielsweise im roten Spektralbereich, sind an sich bekannt und werden vorliegend nicht näher beschrieben.
  • Zusätzlich zu dem schmalbandig emittierenden Halbleiterchip 2 und dem schmalbandig emittierenden Strahlungskonversionselement 3 weist das Halbleiterbauelement 1 als einem vergleichsweise breitbandig emittierenden Emitter auf, beispielsweise mit einer vollen Halbwertsbreite von 50 nm bis 100 nm.
  • Das in 3B dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 3A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Gehäusekörper 6 durch eine Reflektorschicht 7 gebildet, die an den Halbleiterchip 2, das Strahlungskonversionselement 3 und den Emitter 4 angrenzt. Bei der Herstellung des Halbleiterbauelements wird der Gehäusekörper mittels einer Formmasse erst gebildet, nachdem der Halbleiterchip 2 mit dem Strahlungskonversionselement 3 und dem Emitter 4 bereits an dem ersten Kontakt 61 und dem zweiten Kontakt 62 befestigt ist. Ein derartiges Halbleiterbauelement 1 kann eine besonders geringe Bauteilhöhe aufweisen, wobei sich der Gehäusekörper 6 an der Abstrahlungsseite 12 nicht oder zumindest nicht wesentlich über das Strahlungskonversionselement 3 hinaus erstreckt. Eine derartige Gehäuseform ist selbstverständlich auch für ein Halbleiterbauelement 1 geeignet, das wie im Zusammenhang mit 1A beschrieben keinen Emitter 4 zusätzlich zum Halbleiterchip 2 und dem Strahlungskonversionselement 3 aufweist.
  • Die in den 4A und 4B dargestellten Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen den im Zusammenhang mit den 3A beziehungsweise 3B beschriebenen Ausführungsbeispielen. Im Unterschied hierzu ist der Emitter 4 jeweils durch ein weiteres Strahlungskonversionselement mit einer weiteren Quantenstruktur 42 gebildet, die auf einem weiteren Substrat 43 angeordnet ist. Die weitere Quantenstruktur 42 und das weitere Substrat 43 können wie im Zusammenhang mit den 1C bis 1G im Hinblick auf das Strahlungskonversionselement 3 beschrieben ausgebildet sein. Ein derartiges Halbleiterbauelement emittiert also drei Strahlungsanteile mit voneinander verschiedenen Peakwellenlängen, die jeweils besonders schmalbandig sind, beispielsweise mit einer vollen Halbwertsbreite zwischen 25 nm und 40 nm.
  • Die in den 5A und 5B gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen den im Zusammenhang mit den 3B beziehungsweise 4B beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Im Unterschied hierzu ist der Emitter 4, also das Leuchtstoff enthaltende weitere Strahlungskonversionselement 41 in 5A und die weitere Quantenstruktur 42 mit dem weiteren Substrat 43 in 5B, mittels der Reflektorschicht 7 optisch von dem Strahlungskonversionselement 3 getrennt. Ein optisches Übersprechen und eine damit einhergehende ungewünschte Strahlungsabsorption oder Anregung des benachbarten Strahlungskonversionselements durch einen Strahlungsübertritt zwischen dem Strahlungskonversionselement 3 und dem Emitter 4 kann so vermieden werden. Die Reflektorschicht 7 bedeckt in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement 1 bereichsweise die der Abstrahlungsseite 12 zugewandte Vorderseite des Halbleiterchips 2.
  • Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 3A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Emitter 4 mittels eines Leuchtstoffs gebildet, der in die Umhüllung 65 eingebettet ist. Der Emitter 4 ist also als ein Volumenkonverter ausgebildet, der insbesondere im roten Spektralbereich Strahlung emittiert. Auf der Abstrahlungsseite 12 ist das Strahlungskonversionselement 3 frei von der Umhüllung 65. Eine ungewollte Absorption der im Strahlungskonversionselement 3 erzeugten Sekundärstrahlung in dem Emitter 4 wird so vermindert. Der Emitter 4 in Form der Umhüllung mit dem Leuchtstoff grenzt sowohl an den Halbleiterchip 2 als auch an das Strahlungskonversionselement 3 an.
  • Weiterhin ist der Halbleiterchip 2 als ein Halbleiterchip ausgeführt, der zwei vorderseitige Anschlussflächen aufweist. Die elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips 2 erfolgt jeweils über Verbindungsleitungen 69. Selbstverständlich kann davon abweichend auch ein Halbleiterchip Anwendung finden, der wie im Zusammenhang mit 1B oder 2B beschrieben ausgebildet ist. Weiterhin eignet sich der in 6 dargestellte Halbleiterchip auch für die weiteren Ausführungsbeispiele.
  • Die in den 7A und7B dargestellte Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 5A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist das Halbleiterbauelement 1 frei von einem Leiterrahmen. Der erste Kontakt 61 und der zweite Kontakt 62 sind direkt auf dem Halbleiterchip 2 ausgebildet. Der Gehäusekörper 6 ist durch eine an den Halbleiterchip 2, das Strahlungskonversionselement 3 und den Emitter 4 angeformte Reflektorschicht 7 ausgebildet. Zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements können die Halbleiterchips auf einem Hilfsträger, beispielsweise einer Folie, aufgebracht und nachfolgend von einem Material für die Reflektorschicht 7 umformt werden. Hierfür eignet sich insbesondere ein Gießverfahren, beispielsweise ein folienassistiertes Gießen.
  • Als Material für die Reflektorschicht 7 eignet sich wie vorstehend bereits beschrieben beispielsweise ein reflektierend ausgebildetes Epoxid oder ein Silikon.
  • Auch bei diesem Halbleiterbauelement 1 entstehen die Seitenflächen des Halbleiterbauelements 1 erst bei der Vereinzelung in einzelnen Halbleiterbauelemente.
  • Derartige Halbleiterbauelemente sind besonders kompakt herstellbar und in ihren lateralen Ausdehnungen nur geringfügig größer als die Halbleiterchips. Solche Gehäuseformen werden daher auch als CSP (chip size package) bezeichnet.
  • In 7A ist der Emitter 4 durch ein Leuchtstoff enthaltendes weiteres Strahlungskonversionselement gebildet. In 7B weist das weitere Strahlungskonversionselement eine weitere Quantenstruktur 42 auf.
  • Die in den 8A bis 8D beschriebenen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von den vorangegangenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass das Strahlungskonversionselement 3 und der Emitter 4, insbesondere in Form eines weiteren Strahlungskonversionselements, in vertikaler Richtung über dem Halbleiterchip 2 angeordnet sind. Sowohl das Strahlungskonversionselement 3 als auch der Emitter 4 können also den Halbleiterchip 2 vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig bedecken.
  • Im Übrigen entspricht das in 8A dargestellte Ausführungsbeispiel dem im Zusammenhang mit 3A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Das in 8B dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Übrigen dem im Zusammenhang mit 4B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Insbesondere weist der Emitter 4 eine weitere Quantenstruktur 42 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die weitere Quantenstruktur 42 auf einem weiteren Substrat 43 angeordnet. Die weitere Quantenstruktur 42 und die Quantenstruktur 30 des Strahlungskonversionselements 3 können also unabhängig voneinander gefertigt und nachfolgend aufeinander angeordnet werden. Davon abweichend können die weitere Quantenstruktur 42 und die Quantenstruktur 30 auch in einer gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge auf einem gemeinsamen Substrat epitaktisch abgeschieden werden. Die Quantenstruktur 30 und die weitere Quantenstruktur 42 sind in diesem Fall also monolithisch in eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge integriert und insbesondere in einem gemeinsamen epitaktischen Herstellungsverfahren hergestellt.
  • Das in 8C dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Übrigen dem im Zusammenhang mit 3B beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Das in 8D dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht abgesehen von dem Emitter 4, der auf dem Strahlungskonversionselement 3 angeordnet ist, dem im Zusammenhang mit 2A beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Auch bei den in den 8C und 8D dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Emitter 4 einen Leuchtstoff oder eine weitere Quantenstruktur aufweisen.
  • In 9 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung 11 gezeigt. Die Beleuchtungsvorrichtung 11 weist eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen 1 auf, die auf einem Anschlussträger 15, beispielsweise einer Leiterplatte, angeordnet sind. Die Halbleiterbauelemente 1 sind lediglich exemplarisch wie im Zusammenhang mit 7A beschrieben ausgebildet. Auch die anderen Ausführungsbeispiele für das Halbleiterbauelement 1 können herangezogen werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungsvorrichtung 11 zur Strahlungseinkopplung in einen Lichtleiter 19 ausgebildet. Beispielsweise dient die Beleuchtungsvorrichtung 11 der Hinterleuchtung einer Anzeigevorrichtung, etwa einem LCD.
  • Davon abweichend kann die Beleuchtungsvorrichtung 11 auch für einen Scheinwerfer oder ein Blitzlicht oder für eine Projektion ausgebildet sein.
  • Mit den in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispielen der Halbleiterbauelemente 1 ist ein hoher Gamut bei gleichzeitig hoher Effizienz erzielbar. Die Halbleiterbauelemente 1 eignen sich daher besonders für eine derartige Beleuchtungsvorrichtung 11.
  • Das in 10A dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 3A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Emitter 4 als ein weiterer Halbleiterchip 44 ausgebildet. Der weitere Halbleiterchip weist einen zur Erzeugung der Strahlung mit der dritten Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich 440 auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel emittiert der weitere Halbleiterchip Strahlung im roten Spektralbereich. Beispielsweise enthält der aktive Bereich des weiteren Halbleiterchips 44 AlxInyGa1-x-yP oder AlxInyGa1-x-yAs.
  • Das Halbleiterbauelement 1 weist weiterhin zusätzlich zum ersten Kontakt 61 und zum zweiten Kontakt 62 einen dritten Kontakt 63 auf. Der erste Kontakt 61 dient als gemeinsamer Kontakt für den Halbleiterchip 2 und den weiteren Halbleiterchip 44. Im Betrieb des Halbleiterbauelements 1 sind der Halbleiterchip 2 und der weitere Halbleiterchip 44 unabhängig voneinander betreibbar.
  • Das in 10B dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 5B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist das Halbleiterbauelement 1 wie im Zusammenhang mit 10A beschrieben einen Emitter 4 in Form eines weiteren Halbleiterchips 44 auf. Auf dem weiteren Halbleiterchip 44 ist ein strahlungsdurchlässiger Körper 48 angeordnet. Beispielsweise enthält der strahlungsdurchlässige Körper ein Glas. Die Reflektorschicht 7 grenzt an den weiteren Halbleiterchip 44, den strahlungsdurchlässigen Körper 48, den Halbleiterchip 2 und das Strahlungskonversionselement 3 an. Insbesondere sind der weitere Halbleiterchip 44 und der strahlungsdurchlässige Körper 48 von dem Halbleiterchip 2 und dem Strahlungskonversionselement 3 durch die Reflektorschicht 7 optisch voneinander getrennt. Mittels des strahlungsdurchlässigen Körpers 48 kann die Reflektorschicht 7 vereinfacht so ausgebildet werden, dass der weitere Halbleiterchip 44 nicht von der Reflektorschicht 7 bedeckt wird. Insbesondere enden der strahlungsdurchlässige Körper 48 und das Strahlungskonversionselement 3 an der Abstrahlungsseite 12 auf derselben Höhe oder im Wesentlichen auf derselben Höhe.
  • Mit anderen Worten verlaufen die der Abstrahlungsseite 12 zugewandten Oberseiten des strahlungsdurchlässigen Körpers 48 und des Strahlungskonversionselements 3 in einer Ebene.
  • Das in 11A beschriebene Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 5A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der als weiteres Strahlungskonversionselement 41 ausgebildete Emitter 4 nicht auf dem Halbleiterchip 2, sondern auf einem weiteren Halbleiterchip 44 angeordnet. Der weitere Halbleiterchip 44 kann insbesondere mit derselben Peakwellenlänge Strahlung emittieren wie der Halbleiterchip 2. Im Betrieb des Halbleiterbauelements ist das Verhältnis der von dem Emitter 4 abgestrahlten Strahlung und der vom Strahlungskonversionselement 3 abgestrahlten Strahlung im Unterschied zu dem in 5A dargestellten Ausführungsbeispiel durch unterschiedliche Ansteuerungen des Halbleiterchips 2 und des weiteren Halbleiterchips 44 einstellbar. Der weitere Halbleiterchip 44 und der Emitter 4 sind von dem Halbleiterchip 2 und dem Strahlungskonversionselement 3 durch die Reflektorschicht 7 optisch voneinander entkoppelt.
  • Alternativ zu dem in 11A dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Emitter 4 auch, wie in 11B dargestellt, mittels einer weiteren Quantenschicht 42 auf einem weiteren Substrat 43 gebildet sein.
  • Das in 12 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 10A beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu erstreckt sich das Strahlungskonversionselement 3 in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement 1 sowohl über den Halbleiterchip 2 als auch über den weiteren Halbleiterchip 44. Ein strahlungsdurchlässiger Körper 48 auf dem weiteren Halbleiterchip 44 ist also nicht erforderlich. Zweckmäßigerweise ist die Peakwellenlänge des weiteren Halbleiterchips 44 so groß, dass die emittierte Strahlung beim Durchtritt durch das Strahlungskonversionselement 3 nicht oder zumindest nicht wesentlich absorbiert wird.
  • Beispielsweise ist das Strahlungskonversionselement 3 zur Absorption von Strahlung im blauen Spektralbereich und zur Emission von Strahlung im grünen Spektralbereich vorgesehen. Vom weiteren Halbleiterchip 44 emittierte Strahlung im roten Spektralbereich wird also durch das Strahlungskonversionselement 3 nicht absorbiert.
  • Weiterhin ist im Unterschied zu 10A der weitere Halbleiterchip 44 als ein Flipchip ausgebildet, so dass eine vorderseitige Kontaktierung des Halbleiterchips nicht erforderlich ist. Die großflächige Anordnung des Strahlungskonversionselements auf dem Halbleiterchip 2 und dem weiteren Halbleiterchip 44 ist so vereinfacht.

Claims (17)

  1. Halbleiterbauelement (1) mit einem zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer ersten Peakwellenlänge vorgesehenen Halbleiterchip (2) und einem Strahlungskonversionselement (3), das auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, wobei - das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur (30), die die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung mit einer zweiten Peakwellenlänge umwandelt, und ein für die Primärstrahlung durchlässiges Substrat (35) aufweist; - das Halbleiterbauelement einen Emitter (4) zur Abstrahlung von Strahlung mit einer dritten Peakwellenlänge aufweist; - der Emitter ein weiteres Strahlungskonversionselement (41) ist; - das Strahlungskonversionselement und das weitere Strahlungskonversionselement übereinander auf dem Halbleiterchip angeordnet sind; und - das weitere Strahlungskonversionselement einen Leuchtstoff oder eine auf einem weiteren Substrat (43) angeordnete weitere Quantenstruktur (42) aufweist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Strahlungskonversionselement AlxInyGa1-x-yN AlxInyGa1-x-yP oder AlxInyGa1-x-yAs enthält.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Peakwellenlänge kleiner als die zweite Peakwellenlänge ist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement eine Reflektorschicht (7) aufweist, die an den Halbleiterchip und an das Strahlungskonversionselement angrenzt.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei ein Gehäusekörper des Halbleiterbauelements durch die Reflektorschicht gebildet ist.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Strahlungskonversionselement eine dielektrische Beschichtung (5) angeordnet ist und wobei die dielektrische Beschichtung eine wellenlängenselektive Transmission aufweist.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Strahlungskonversionselement eine Streuschicht (55) angeordnet ist.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenstruktur auf der dem Halbleiterchip zugewandten Seite des Substrats angeordnet ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlungskonversionselement eine Auskoppelstruktur (58) aufweist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die Auskoppelstruktur auf der der Quantenstruktur zugewandten Seite des Substrats angeordnet ist.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Auskoppelstruktur mittels einer strukturierten Aufwachsfläche des Substrats gebildet ist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die Auskoppelstruktur auf der der Quantenstruktur abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das drei Strahlungsanteile mit voneinander verschiedenen Peakwellenlängen emittiert, wobei die Strahlungsanteile eine volle Halbwertsbreite zwischen 25 nm und 40 nm aufweisen.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat des Strahlungskonversionselements den Halbleiterchip zu mindestens 20 % bedeckt.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlungskonversionselement mittels einer Befestigungsschicht (8) an dem Halbleiterchip befestigt ist.
  16. Beleuchtungsvorrichtung (11) mit zumindest einem Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Anschlussträger (15), auf dem das Halbleiterbauelement angeordnet ist.
  17. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Beleuchtungsvorrichtung für die Hinterleuchtung einer Anzeigevorrichtung, für eine Projektion, für ein Blitzlicht oder für einen Scheinwerfer ausgebildet ist.
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