DE112019005876T5

DE112019005876T5 - Lichtemittierendes bauelement und verfahren zur herstellung eines lichtemittierenden bauelements

Info

Publication number: DE112019005876T5
Application number: DE112019005876.2T
Authority: DE
Inventors: Maria J. Anc; Darshan Kundaliya; Madis Raukas; David O'Brien
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-09-02
Also published as: US20200168771A1; WO2020109137A1; US11271141B2; KR20210095191A

Abstract

Es wird ein lichtemittierendes Bauelement beschrieben, wobei das lichtemittierende Bauelement einen lichtemittierenden Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge, die zumindest eine lichtemittierende Halbleiterschicht und eine Lichtauskopplungsfläche aufweist, und eine auf der Lichtauskopplungsfläche angeordnete Wellenlängenkonversionsschicht umfasst, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht Quantenpunkte umfasst.Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements beschrieben.

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 16/199,755 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein lichtemittierendes Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements. Insbesondere kann das lichtemittierende Bauelement eine Wellenlängenkonversionsschicht aufweisen. Die Wellenlängenkonversionsschicht kann bevorzugt Quantenpunkte (QDs) umfassen oder im Wesentlichen aus diesen bestehen.
Quantenpunkte sind schmalbandige Emitter, die zur Wellenlängenkonversion eingesetzt werden. Sie können Vorteile in Bezug auf Farbqualität und Konversionseffizienz bieten, beispielsweise bei Hintergrundbeleuchtungen und Solid-State-Lighting (SSL)-Anwendungen. Quantenpunkte eignen sich für solche Anwendungen, da sie nicht nur spezifische optische Eigenschaften bereitstellen, sondern auch ein Potenzial für eine kosteneffiziente Herstellung bieten. QDs haben ein breites Absorptionsspektrum in einem Wellenlängenbereich, der üblicherweise von ultravioletten Wellenlängen bis zum ersten exzitonischen Peak reicht. Sie sind nicht streuend und effizient. Die Peak-Emissionswellenlänge von QDs kann innerhalb weniger Nanometer abgestimmt werden.
Heutige kolloidale QDs in Dispersionen zeigen in der Regel eine hohe Effizienz von typischerweise mehr als 80% oder sogar mehr als 90% in großen Volumina in unpolaren Lösungsmitteln und zwischen etwa 70% und 80% in optimierten Polymerkompositen. In kolloidalen Dispersionen sind die QDs üblicherweise mit organischen Liganden beschichtet, die die Oberfläche passivieren, Agglomeration verhindern und ihre Mischbarkeit mit Wirtsmaterialien ermöglichen. Die Art dieser Liganden beeinflusst jedoch die Möglichkeit der Herstellung von QD-Kompositen sowie deren Leistung in Anwendungen. Gegenwärtig werden QD/Polymerkomposite in der Hintergrundbeleuchtung und in SSL-Anwendungen als farbkorrigierende Folien eingesetzt. Die Eigenschaften der QD/Polymerkomposite sind für solche Anwendungen, bei denen die Betriebstemperatur 100°C nicht überschreitet, zufriedenstellend. Für Anwendungen, bei denen der Konverter Temperaturen von mehr als 100°C erreichen kann, müssen andere Formen von QD-Filmen hergestellt werden. Gemäß dem Stand der Technik werden QD-Zusammensetzungen und Wirtsmaterialien verwendet, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Wärmebeständigkeit aufweisen.
Typischerweise werden optische Komponenten mit QDs als freistehende Teile mit dem anwendungsspezifischen Formfaktor hergestellt. Sie können Zusammensetzungen der QDs mit Polymeren, hybriden organischen/anorganischen Substanzen umfassen und auch dichte Verbünde auf einem Trägersubstrat ausbilden. Um eine Degradation der QD-Eigenschaften in der Umgebungsatmosphäre zu verhindern, müssen diese Komponenten verkapselt werden. Herausforderungen für das Design und die Herstellung von QD-Konvertern, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten sollen, ergeben sich aus der Notwendigkeit, organische Wirtsmaterialien zu eliminieren. In solchen Fällen können freistehende QD-Verbünde in Form von dicht gepackten Filmen oder Zusammensetzungen von QDs mit anorganischen Füllstoffen anwendbar sein. Allerdings müssen die freistehenden QD-Teile in einem Gehäuse mit der Lichtquelle verbunden werden, was in Verbindung mit einer Serienproduktion die Komplexität des Verfahrens erhöht und die Kosten steigert.
Eine Aufgabe von zumindest einer Ausführungsform ist es, ein lichtemittierendes Bauelement bereitzustellen. Ein weiterer Gegenstand von zumindest einer Ausführungsform ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden u.a. mit einem Bauelement und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen erreicht. Weitere Ausführungsformen und Konfigurationen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein lichtemittierendes Bauelement einen lichtemittierenden Halbleiterchip und eine Wellenlängenkonversionsschicht.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform wird in einem Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements ein lichtemittierender Halbleiterchip bereitgestellt oder hergestellt, und auf dem lichtemittierenden Halbleiterchip eine Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet.
Die hierin beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen betreffen sowohl das lichtemittierende Bauelement als auch das Verfahren zur Herstellung des lichtemittierenden Bauelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der lichtemittierende Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst zumindest eine lichtemittierende Halbleiterschicht. Die zumindest eine lichtemittierende Halbleiterschicht bildet einen aktiven Bereich zum Erzeugen von Licht aus, so dass bei Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterchips Licht in der lichtemittierenden Halbleiterschicht erzeugt wird. Der lichtemittierende Halbleiterchip umfasst ferner eine Lichtauskopplungsfläche, über die das im aktiven Bereich erzeugte Licht aus dem lichtemittierenden Halbleiterchip ausgekoppelt wird. Die Wellenlängenkonversionsschicht ist bevorzugt auf der Lichtauskopplungsfläche angeordnet.
Die Halbleiterschichtenfolge kann besonders bevorzugt auf einem Substrat, das als Wachstumssubstrat bezeichnet werden kann, mittels eines Epitaxieverfahrens, beispielsweise mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE), aufgewachsen werden. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst demzufolge Halbleiterschichten, die entlang einer durch die Wachstumsrichtung gegebenen Anordnungsrichtung, die auch als vertikale Richtung bezeichnet werden kann, übereinander angeordnet sind. Die Schichten der Halbleiterschichtenfolge haben eine Haupterstreckungsebene, die senkrecht zur Anordnungsrichtung steht. Richtungen, die parallel zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten und damit senkrecht zur vertikalen Richtung verlaufen, können als laterale Richtungen bezeichnet werden.
Der lichtemittierende Halbleiterchip umfasst insbesondere zwei Hauptflächen, die senkrecht zur Wachstumsrichtung angeordnet sind. Eine der Hauptflächen ist als Lichtauskopplungsfläche ausgebildet, über die das im Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterchips erzeugte Licht abgestrahlt wird. Zusätzlich umfasst der lichtemittierende Halbleiterchip eine Rückfläche, die sich auf der der Lichtauskopplungsfläche gegenüberliegenden Seite befindet und die zweite Hauptfläche des lichtemittierenden Halbleiterchips bildet. Die Lichtauskopplungsfläche und die Rückfläche sind über Seitenflächen miteinander verbunden. Zusätzlich zum Licht, das von der Lichtauskopplungsfläche emittiert wird, kann zumindest ein Teil des Lichts, das im Betrieb in der lichtemittierenden Halbleiterschicht erzeugt wird, auch über eine Seitenfläche und/oder die Rückfläche emittiert werden.
Der lichtemittierende Halbleiterchip kann je nach zu erzeugendem Licht eine Halbleiterschichtenfolge auf der Basis unterschiedlicher Halbleitermaterialsysteme aufweisen. Eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yAs ist beispielsweise für eine langwellige Infrarot- bis Rotstrahlung geeignet, eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yP beispielsweise für rote bis gelbe Strahlung geeignet ist, und eine Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von In_xGa_yAl_1-x-yN beispielsweise für kurzwellige sichtbare Strahlung, d.h. insbesondere für grüne bis blaue Strahlung, und/oder für UV-Strahlung geeignet ist, wobei jeweils 0 ≥ x ≥ 1 und 0 ≥ y ≥ 1 ist. Darüber hinaus kann eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis eines Antimonids, beispielsweise InSb, GaSb, AlSb oder einer Kombination davon, für langwellige Infrarotstrahlung geeignet sein.
Das Substrat, insbesondere im Falle eines Substrats, das ein Wachstumssubstrat ist, kann ein isolierendes Material oder ein Halbleitermaterial umfassen oder sein, beispielsweise ein oben genanntes Verbindungshalbleitermaterialsystem.
Insbesondere kann das Wachstumssubstrat Saphir, GaAs, GaP, GaN, InP, SiC, Si und/oder Ge umfassen oder daraus hergestellt sein.
Das Wachstumsverfahren kann insbesondere in einem waferbasierten Verfahren erfolgen. Mit anderen Worten wird ein Wachstumssubstrat in Form eines Wafers bereitgestellt, auf dem die Halbleiterschichtenfolge großflächig aufgewachsen wird. Die gewachsene Halbleiterschichtenfolge kann in einem weiteren Verfahrensschritt in einzelne lichtemittierende Halbleiterchips vereinzelt werden, in dem durch die Vereinzelung die Seitenflächen der lichtemittierenden Halbleiterchips ausgebildet werden können. Die Wellenlängenkonversionsschicht kann bevorzugt vor der Vereinzelung aufgebracht werden. Mit anderen Worten kann die Wellenlängenkonversionsschicht auch in einem waferbasierten Verfahren aufgebracht werden. Alternativ kann die Wellenlängenkonversionsschicht auch auf einen bereits vereinzelten lichtemittierenden Halbleiterchip aufgebracht werden.
Zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge vor dem Vereinzeln auf ein Trägersubstrat übertragen werden, und das Wachstumssubstrat kann ausgedünnt, d. h. zumindest teilweise oder ganz entfernt werden. Das Trägersubstrat kann ein elektrisch isolierendes oder elektrisch leitendes Material umfassen oder daraus hergestellt sein, beispielsweise ein oben beschriebenes Substratmaterial.
Die Halbleiterschichtenfolge des lichtemittierenden Halbleiterchips kann beispielsweise einen konventionellen p-n-Übergang, eine Doppel-Heterostruktur, eine Einzel-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Multi-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur) als lichtemittierende Halbleiterschicht umfassen. Zusätzlich zu der zumindest einen lichtemittierenden Halbleiterschicht kann die Halbleiterschichtenfolge weitere funktionale Schichten und funktionale Bereiche umfassen, beispielsweise p- und n-Ladungsträgertransportschichten, undotierte oder p- oder n-leitende Einschluss-, Mantel- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen davon. Insbesondere kann der lichtemittierende Halbleiterchip zur elektrischen Kontaktierung auf der Lichtauskopplungsfläche und auf der Rückfläche jeweils ein elektrisches Kontaktelement umfassen, beispielsweise in Form einer großflächigen oder kleinflächigen Elektrodenschicht oder die eine strukturierte Elektrodenschicht sein kann. Es ist auch möglich, dass alle elektrischen Kontakte auf einer Seite des lichtemittierenden Halbleiterchips bereitgestellt sind, beispielsweise auf der Lichtauskopplungsfläche oder auf der Rückfläche. Insbesondere kann der lichtemittierende Halbleiterchip als sogenannter Volumenemitter oder als Flip-Chip, in beiden Fällen bevorzugt umfassend eine auf einem Saphirsubstrat aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge, oder als sogenannter Dünnschicht-Halbleiterchip, bevorzugt umfassend ein Trägersubstrat, auf das die Halbleiterschichtenfolge nach dem Verfahren übertragen wurde und bevorzugt ferner mit einem ausgedünnten oder sogar vollständig entfernten Wachstumssubstrat, ausgeführt sein.
Die hier beschriebenen Strukturen, die den lichtemittierenden Halbleiterchip sowie die lichtemittierende Halbleiterschicht und die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffen, insbesondere deren Aufbau, Funktion und Konstruktion, sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Wellenlängenkonversionsschicht Quantenpunkte (QDs). Wie oben beschrieben, werden durch die QDs Vorteile in der Farbleistung bereitgestellt, insbesondere eine schmalbandige Emission mit einer fein einstellbaren Peakposition, ein breites Absorptionsspektrum und keine inhärente Streuung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Wellenlängenkonversionsschicht frei von einem organischen Matrixmaterial. Insbesondere kann die Wellenlängenkonversionsschicht im Wesentlichen aus den Quantenpunkten bestehen. Mit anderen Worten ist die Wellenlängenkonversionsschicht nicht als Komposit ausgebildet, das ein Matrixmaterial oder Füllmaterial wie ein Polymer oder andere organische Materialien umfasst, die im Stand der Technik typischerweise verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist die Wellenlängenkonversionsschicht des lichtemittierenden Bauelements bevorzugt als ein Verbund der QDs ausgebildet, die auf einer Oberfläche des lichtemittierenden Halbleiterchips abgeschieden werden, so dass die Wellenlängenkonversionsschicht durch das Abscheideverfahren ausgebildet wird. Die Wellenlängenkonversionsschicht ist somit keine frei stehende Komponente, wie sie üblicherweise im Stand der Technik verwendet wird, sondern ein Teil des lichtemittierenden Bauelements, der in das lichtemittierende Bauelement integriert ist und der nicht ohne Zerstörung entfernt werden kann. Insbesondere werden die QDs durch das Verfahren der Abscheidung nebeneinander und/oder übereinander angeordnet und bilden so die Wellenlängenkonversionsschicht. Die Wellenlängenkonversionsschicht kann bevorzugt durch zumindest ein Verfahren, ausgewählt aus Tropfenguss, Tintenstrahldruck, Schichttransfer, abgeschieden werden. Weiterhin kann die Wellenlängenkonversionsschicht direkt auf einer Oberfläche des lichtemittierenden Halbleiterchips, insbesondere direkt auf der Lichtauskopplungsfläche, abgeschieden werden, so dass zumindest ein Teil der QDs der Wellenlängenkonversionsschicht in direktem Kontakt mit der Lichtauskopplungsfläche des lichtemittierenden Halbleiterchips stehen kann.
Weiterhin kann auf einer Oberfläche des lichtemittierenden Halbleiterchips, insbesondere auf der Lichtauskopplungsfläche und bevorzugt direkt auf der Lichtauskopplungsfläche, eine Zwischenschicht angeordnet sein, und die Wellenlängenkonversionsschicht kann auf der Zwischenschicht, insbesondere direkt auf der Zwischenschicht, abgeschieden werden. Die Zwischenschicht kann ein transparentes Material und/oder ein Wellenlängenkonversionsmaterial umfassen oder daraus bestehen. Das Wellenlängenkonversionsmaterial, das sich von den QDs unterscheiden kann, kann geeignet sein, zumindest einen Teil des von dem lichtemittierenden Halbleiterchip emittierten Lichts in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Bevorzugt kann das Wellenlängenkonversionsmaterial der Zwischenschicht bei Bestrahlung mit dem Licht des lichtemittierenden Halbleiterchips Licht mit einer Wellenlänge emittieren, die sich von der Wellenlänge des Lichts unterscheidet, das von der Wellenlängenkonversionsschicht emittiert wird. Insbesondere kann die Zwischenschicht ein keramisches Wellenlängenkonversionsmaterial umfassen, das beispielsweise als Keramikschicht oder als in einem Matrixmaterial dispergierte Partikel bereitgestellt werden kann. Das Wellenlängenkonversionsmaterial der Zwischenschicht kann beispielsweise ein Material aus der Gruppe der Granate, beispielsweise Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) und/oder Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG), und insbesondere dotierte Granate wie beispielsweise Ce-dotierte Granate umfassen. Durch die Kombination des lichtemittierenden Halbleiterchips, der Wellenlängenkonversionsschicht mit den QDs und der Zwischenschicht mit dem Wellenlängenkonversionsmaterial kann das lichtemittierende Bauelement beispielsweise ein Weißlicht-emittierendes Bauelement mit einer integrierten QD-Schicht sein. Die Zwischenschicht, die bevorzugt ein Wellenlängenkonversionsmaterial umfasst oder daraus besteht, kann insbesondere durch ein gepulstes Laserdepositionsverfahren (PLD) auf der Lichtauskopplungsfläche abgeschieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird auf der Lichtauskopplungsfläche eine Oberflächenstruktur bereitgestellt und die Wellenlängenkonversionsschicht ist direkt auf die Oberflächenstruktur aufgebracht. Die Oberflächenstruktur kann sowohl Vertiefungen wie Gruben und/oder Spalten und/oder Furchen als auch Erhebungen wie Kuppen und/oder Spitzen und/oder dammartige Strukturen umfassen. Vorzugsweise kann die Lichtauskopplungsfläche mit der Oberflächenstruktur bereitgestellt werden. In diesem Fall ist die Wellenlängenkonversionsschicht direkt auf der Oberflächenstruktur der Lichtauskopplungsfläche abgeschieden. Im Falle einer Zwischenschicht, bevorzugt einer Zwischenschicht, die ein Wellenlängenkonversionsmaterial umfasst oder daraus besteht, weist die Zwischenschicht eine von der Lichtauskopplungsfläche abgewandte Oberfläche auf, die die Oberflächenstruktur aufweisen kann. In diesem Fall wird die Wellenlängenkonversionsschicht direkt auf die Oberflächenstruktur der Zwischenschicht aufgebracht.
Die Wellenlängenkonversionsschicht kann eine konforme Beschichtung der Oberflächenstruktur sein. Mit anderen Worten kann die Wellenlängenkonversionsschicht die Oberflächenstruktur so abdecken, dass die Struktur der Wellenlängenkonversionsschicht auf der von der Oberflächenstruktur abgewandten Seite zumindest teilweise der Oberflächenstruktur ähnelt und somit zumindest teilweise der Oberflächenstruktur ähnlich ist. Weiterhin kann die Wellenlängenkonversionsschicht die Oberflächenstruktur zumindest teilweise planarisieren, indem sie Vertiefungen der Oberflächenstruktur zumindest teilweise ausfüllt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der lichtemittierende Halbleiterchip ein Substrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche, die einander gegenüberliegen, wobei die Halbleiterschichtfolge auf der ersten Hauptfläche und die Wellenlängenkonversionsschicht auf der zweiten Hauptfläche angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Hauptfläche die Lichtauskopplungsfläche. Die zweite Hauptfläche kann die Oberflächenstruktur aufweisen. Alternativ ist auf der von der zweiten Hauptfläche ausgebildeten Lichtauskopplungsfläche eine Zwischenschicht wie oben beschrieben angeordnet. Weiterhin kann die erste Hauptfläche des Substrats eine weitere Oberflächenstruktur aufweisen und die Halbleiterschichtenfolge ist auf der weiteren Oberflächenstruktur aufgewachsen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat mit der ersten Hauptfläche bereitgestellt und die Halbleiterschichtenfolge ist auf der ersten Hauptfläche angeordnet, bevorzugt aufgewachsen. Insbesondere wird die Halbleiterschichtenfolge in einem waferbasierten Verfahren, wie oben beschrieben, auf das Substrat aufgewachsen. Anschließend wird die Wellenlängenkonversionsschicht auf der zweiten Hauptfläche, die die Lichtauskopplungsfläche sein kann, abgeschieden.
In Fällen, in denen die zweite Hauptfläche des Substrats eine Oberflächenstruktur aufweist, auf der die Wellenlängenkonversionsschicht abgeschieden wird, wird die Oberflächenstruktur in der zweiten Hauptfläche erzeugt, so dass die zweite Hauptfläche mit der Oberflächenstruktur bereitgestellt wird, bevor oder nachdem die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird.
Beispielsweise wird die Oberflächenstruktur in der zweiten Hauptfläche bereitgestellt, bevor die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird. In diesem Fall kann es bevorzugt sein, dass das Substrat mit der zweiten Hauptfläche und damit mit der Oberflächenstruktur auf einem temporären Träger angeordnet wird, bevor die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird. Der temporäre Träger kann nach der Anordnung der Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche entfernt werden, wodurch die Oberflächenstruktur auf der zweiten Hauptfläche freigelegt wird. Alternativ kann die Oberflächenstruktur auf der zweiten Hauptfläche bereitgestellt werden, nachdem die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird. In diesem Fall kann es bevorzugt sein, dass das Substrat ausgedünnt wird, bevor die Oberflächenstruktur auf der zweiten Hauptfläche bereitgestellt wird und nachdem die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird. Durch das Ausdünnungsverfahren kann die zweite Oberfläche hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtauskopplungsfläche eine Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge, insbesondere einer äußersten Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge. In diesem Fall kann die äußerste Halbleiterschicht die Oberflächenstruktur aufweisen. Alternativ kann eine Zwischenschicht wie oben beschrieben auf der äußersten Halbleiterschicht angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Verkapselungsschicht auf der Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet. Vorzugsweise ist die Verkapselungsschicht transparent und kann direkt auf der Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Verkapselungsschicht in direktem Kontakt mit zumindest einigen der QDs der Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet ist. Die Verkapselungsschicht kann eine oder mehrere Schichten umfassen oder daraus bestehen, die für eine Barrierewirkung der Verkapselungsschicht verantwortlich sind. Die eine oder mehreren Schichten können ein oder mehrere anorganische und/oder organische Materialien umfassen. Anorganische Materialien können zum Beispiel mittels Atomlagenabscheidung (ALD), Sputtern oder plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgebracht werden. Geeignete anorganische Materialien können zum Beispiel transparente anorganische Materialien wie Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Lanthanoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumcarbid, Indiumzinnoxid, Indiumzinkoxid, aluminiumdotiertes Zinkoxid sowie Mischungen und Legierungen davon sein. Geeignete organische Materialien können zum Beispiel transparente Polymere sein, die Siloxane, Epoxide, Imide, Carbonate, Acrylate und Mischungen und Kombinationen davon enthalten. Bevorzugt weist die Verkapselungsschicht eine Schichtfolge mit einer Vielzahl von Schichten auf, beispielsweise eine Vielzahl von ausschließlich anorganischen Schichten oder eine Vielzahl von anorganischen und organischen Schichten, die abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.

Die 1A bis 1C zeigen schematische Darstellungen eines lichtemittierenden Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
2A und 2B zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen einer Wellenlängenkonversionsschicht von lichtemittierenden Bauelementen gemäß weiteren Ausführungsformen,
3A bis 3D zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform,
4A bis 4C zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform,
5 bis 7 zeigen schematische Darstellungen von lichtemittierenden Bauelementen gemäß weiteren Ausführungsformen.

In den Figuren sind Elemente gleicher Bauart und/oder Funktion durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es versteht sich, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen illustrative Darstellungen sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Im Folgenden werden spezifische Details, wie spezifische Merkmale und vorteilhafte Effekte eines lichtemittierenden Bauelements und eines Verfahrens zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements, dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung bereitzustellen. Es wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass Ausführungsformen der Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können.
1A zeigt eine schematische Darstellung eines lichtemittierenden Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Die 1B und 1C zeigen Details des lichtemittierenden Bauelements 100 der 1A. Die folgende Beschreibung gilt gleichermaßen für die 1A bis 1C.
Das lichtemittierende Bauelement 100 umfasst einen lichtemittierenden Halbleiterchip 1. Der lichtemittierende Halbleiterchip 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge 10 auf, die zumindest eine lichtemittierende Halbleiterschicht 11 umfasst, die im Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 Licht emittiert. Mittels elektrischer Kontakte in Form von Elektrodenschichten 12 kann ein elektrischer Strom an die lichtemittierende Halbleiterschicht 11 zum Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 angelegt werden. Die Halbleiterschichtenfolge 10 kann beispielsweise auf InAlGaN basieren und zur Erzeugung von ultraviolettem, blauem oder grünem Licht eingerichtet sein. Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge 10 auch auf einem anderen Halbleitermaterial basieren, wie im allgemeinen Teil beschrieben.
Das im Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 in der lichtemittierenden Halbleiterschicht 11 erzeugte Licht wird von dem Chip 1 über eine Lichtauskopplungsfläche 13 emittiert. Gegenüber der Lichtauskopplungsfläche 13 weist der Halbleiterchip 1 eine Rückseitenfläche 13' auf. Die Lichtauskopplungsfläche 13 und die Rückseitenfläche 13' sind über Seitenflächen 13'' miteinander verbunden. Das im Betrieb erzeugte Licht kann neben der Lichtauskopplungsfläche 13 auch durch die Seitenflächen 13'' und/oder durch Teile der Rückseitenfläche 13' abgestrahlt werden.
Auf der Lichtauskopplungsfläche 13 ist eine Wellenlängenkonversionsschicht 2 angeordnet, die Quantenpunkte (QDs) 20 umfasst. Das von der lichtemittierenden Halbleiterschicht 11 emittierte Licht kann von den QDs 20 absorbiert und in Licht mit einer anderen Wellenlänge konvertiert werden. Dementsprechend kann das von der lichtemittierenden Halbleiterschicht 11 erzeugte Licht auch als Pumplicht für die QDs 20 bezeichnet werden. Die Wellenlängenkonversionsschicht 2 mit den QDs 20 ist in das lichtemittierende Bauelement 100 integriert, wie weiter unten im Detail beschrieben.
Weiterhin weist der lichtemittierende Halbleiterchip 1 ein Substrat 14 auf, das ein Wachstumssubstrat oder ein Trägersubstrat sein kann. Das Substrat 14 weist eine erste Hauptfläche 141 und eine zweite Hauptfläche 142 auf. Auf der ersten Hauptfläche 141 ist die Halbleiterschichtenfolge 10 angeordnet, während die zweite Hauptfläche 142 die Lichtauskopplungsfläche 13 ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Substrat 14 ein Wachstumssubstrat, auf das die Halbleiterschichtenfolge 10 aufgewachsen wird. Die Elektrodenschichten 12 können auf der gleichen Seite der Halbleiterschichtenfolge 10 angeordnet sein, die die Rückseitenfläche 13' ist, so dass der lichtemittierende Halbleiterchip 1 beispielhaft als sogenannter Flip-Chip ausgebildet ist.
Auf der zweiten Hauptfläche 142 des Substrats, und damit auf der Lichtauskopplungsfläche 13, weist der lichtemittierende Halbleiterchip 1 eine Oberflächenstruktur 15 auf, auf der die Wellenlängenkonversionsschicht 2 direkt aufgebracht ist. Da in der gezeigten Ausführungsform die zweite Hauptfläche 142 die Lichtauskopplungsfläche 13 ist und die Oberflächenstruktur 15 aufweist, wird die Wellenlängenkonversionsschicht 2 direkt auf die Lichtauskopplungsfläche 13 aufgebracht. Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur Strukturgrößen in der Größenordnung von Mikrometern auf.
Wie in der Detailansicht in 1B gezeigt, kann das Substrat 14 eine weitere Oberflächenstruktur 16 auf der ersten Hauptfläche 141 aufweisen. Bevorzugt liegt die weitere Oberflächenstruktur in der Größenordnung von Mikrometern. Insbesondere kann die erste Hauptfläche 141 eine im Wesentlichen ebene und zweidimensional ausgebildete Fläche sein, auf der eine Vielzahl von dreidimensional ausgebildeten Flächenelementen angeordnet ist, die aus der durch die ebene Fläche gebildeten Ebene herausragen. Die dreidimensional gestalteten Flächenelemente sind als Erhebungen ausgebildet, die sich von der ebenen Fläche nach oben weg erstrecken. Die Flächenelemente können rund und insbesondere in vertikaler Richtung gesehen kreisförmig sein, so dass die Flächenelemente als konische Erhebungen ausgebildet sein können. Alternativ kann die weitere Oberflächenstruktur 16 Flächenelemente umfassen, die in vertikaler Richtung betrachtet einen eckigen, beispielsweise sechseckigen Querschnitt aufweisen, so dass die Flächenelemente auch als pyramidale Erhebungen auf der ebenen Fläche ausgebildet sein können. Alternativ können die Flächenelemente auch als Vertiefungen ausgebildet sein, die von der ebenen Fläche in das Substrat 14 hineinragen. Ähnlich wie die zuvor beschriebenen Erhebungen können die Vertiefungen beispielsweise konisch oder pyramidenförmig sein.
In der gezeigten Ausführungsform kann das Substrat 14 Saphir, d.h. Aluminiumoxid, umfassen oder daraus hergestellt sein. Insbesondere kann das Substrat 14 als Saphir-Wafer ausgebildet sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 10 großflächig aufgewachsen wird. Durch die Aufteilung des Wafers mit der aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge kann eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips hergestellt werden. Die ebene Oberfläche der ersten Hauptfläche 141 wird bevorzugt von einer kristallographischen c-Oberfläche oder (-c)-Oberfläche des Aluminiumoxids gebildet, die sich besonders für das Aufwachsen nitridbasierter Halbleitermaterialien eignet. Dementsprechend werden die Oberflächen der Flächenelemente der weiteren Oberflächenstruktur 16 durch eine Vielzahl anderer Kristallflächen entsprechend ihrer Orientierung relativ zur ebenen Fläche ausgebildet. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform kann das Substrat 14 beispielsweise auch eine erste Hauptfläche 141 umfassen, die durch Silizium oder Siliziumcarbid gebildet ist, und entsprechend beispielsweise als Siliziumwafer oder Siliziumcarbidwafer ausgebildet sein kann. Darüber hinaus besteht eine weitere Möglichkeit darin, dass das Substrat 14 ein anderes im obigen allgemeinen Abschnitt genanntes Material umfasst oder daraus besteht. Ferner kann die erste Hauptfläche 141 ohne die weitere Oberflächenstruktur 16 ausgeführt sein.
Die Wellenlängenkonversionsschicht 2 kann bevorzugt durch ein Verfahren, ausgewählt aus Tropfenguss, Inkjet-Druck, Schichttransfer, auf die Oberflächenstruktur 15 aufgebracht werden. Die QDs 20 können in einem Lösungsmittel dispergiert werden, das Hexan oder Chloroform oder andere unpolare Lösungsmittel sein kann, und die Dispersion kann auf die Oberfläche aufgebracht werden. Anschließend kann das Lösungsmittel verdampft werden, so dass im Wesentlichen nur die QDs 20 auf der Oberfläche verbleiben. Wie in der Detailansicht in 1C gezeigt, besteht die Wellenlängenkonversionsschicht 2 im Wesentlichen aus den QDs 20 und ist frei von einem organischen Matrixmaterial oder anderem Füllmaterial. Dementsprechend ist die Wellenlängenkonversionsschicht 2 nicht als Komposit ausgebildet, das ein Matrixmaterial oder Füllmaterial wie Polymer oder andere organische Materialien aufweist. Vielmehr wird die Wellenlängenkonversionsschicht 2 durch einen Verbund der QDs 20 gebildet, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht 2 durch das Abscheideverfahren gebildet wird. Folglich ist die Wellenlängenkonversionsschicht 2 keine freistehende Komponente, wie sie üblicherweise in der Technik verwendet wird, sondern ist ein integrierter Teil des lichtemittierenden Bauelements 1, der nicht entfernt werden kann, ohne zerstört zu werden.
Durch die Oberflächenstruktur 15 kann ein kaffeefleckartiger Effekt beim Verdampfen des Lösungsmittels vermieden werden, so dass eine homogene Abdeckung der Lichtauskopplungsfläche 13 mit den QDs 20 erreicht werden kann. Die Wellenlängenkonversionsschicht 2 bildet somit eine konforme Beschichtung der Oberflächenstruktur 15 aus. Mit anderen Worten bedeckt die Wellenlängenkonversionsschicht 2 die Oberflächenstruktur 15 derart, dass die Struktur der Wellenlängenkonversionsschicht 2 auf der von der Oberflächenstruktur 15 abgewandten Seite zumindest teilweise der Oberflächenstruktur 15 ähnelt. Es ist auch möglich, dass die Wellenlängenkonversionsschicht 2 die Oberflächenstruktur zumindest teilweise planarisieren kann.
Wie in den 1A und 1C gezeigt, kann die Fläche mit der Oberflächenstruktur 15 eine im Wesentlichen ebene und zweidimensional ausgebildete Fläche sein, auf der eine Vielzahl von dreidimensional ausgebildeten Flächenelementen angeordnet ist, die aus der von der ebenen Fläche gebildeten Ebene herausragen oder von der ebenen Fläche in das Element mit der Oberflächenstruktur 15 hineinragen. Somit können die Flächenelemente beispielsweise Erhebungen in Form von Kuppen und/oder Spitzen oder Vertiefungen in Form von Gruben und/oder Spalten und/oder Furchen sein. In vertikaler Richtung betrachtet können die Flächenelemente einen polygonalen oder runden Querschnitt aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Oberflächenstruktur 15 halbkugelförmige Spalten. 2A zeigt eine REM (Rasterelektronenmikroskop)-Aufnahme einer Oberflächenstruktur, bei der die Spalten hexagonal angeordnet sind. 2B zeigt eine REM-Aufnahme einer anderen Oberflächenstruktur mit hexagonal angeordneten Spitzen. In beiden Fällen ist deutlich zu erkennen, dass die Oberflächenstruktur von der im Wesentlichen aus den QDs bestehenden Wellenlängenkonversionsschicht konform bedeckt wird.
Da die Wellenlängenkonversionsschicht 2 mit den QDs 20 direkt auf der Oberflächenstruktur 15 auf der Lichtauskopplungsfläche 13 abgeschieden ist, die im Falle der Ausführungsform der 1A bis 1C eine Oberfläche des Substrats 14 ist, stellt der lichtemittierende Halbleiterchip 1 einen mechanisch festen, thermisch gut leitenden Träger bereit, um die QDs 20 in unmittelbarer Nähe der lichtemittierenden Halbleiterschicht 11 zu halten, die das Pumplicht erzeugt. Diese Anordnung ist eine Verbesserung gegenüber bisher bekannten freistehenden QD-Lösungen, die ein Substrat aus (poröser) Keramik, Glas oder anderen Materialien zur Aufnahme der QDs benötigen. Die integrierte Anordnung der QDs 20 ermöglicht einen On-Chip QD-Konverter, der in Bezug auf einen verringerten Lichtverlust aufgrund reduzierter Streuung überlegen ist und eine hohe Konvertierungseffizienz bereitstellt. Insbesondere kann die Wellenlängenkonversionsschicht so ausgeführt werden, dass eine vollständige Konversion möglich ist, d.h. dass im Wesentlichen das gesamte von der lichtemittierenden Halbleiterschicht in Richtung der Wellenlängenkonversionsschicht emittierte Licht von den QDs konvertiert wird. Darüber hinaus werden hervorragende thermische Eigenschaften mit der Möglichkeit der aktiven Kühlung der gesamten Struktur bereitgestellt.
Die 3A bis 3D zeigen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des lichtemittierenden Bauelements 100 gemäß der Ausführungsform der 1A bis 1C. Wie in 3A gezeigt, wird in einem ersten Schritt ein Substrat 14 bereitgestellt, das eine erste Hauptfläche 141 mit der weiteren Oberflächenstruktur 16, wie im Zusammenhang mit den 1A bis 1C erläutert, aufweist. Alternativ kann das Substrat 14 auch mit einer ebenen ersten Hauptfläche 141 ohne die weitere Oberflächenstruktur 16 bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Substrat 14 als Substratwafer bereitgestellt werden, so dass die folgenden Verfahrensschritte in einem waferbasierten Verfahren durchgeführt werden können. Das Substrat 14, das beispielsweise ein Saphirsubstrat, wie oben erläutert, sein kann, ist ein Wachstumssubstrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 10, wie in 3B gezeigt, aufgewachsen wird. Die Halbleiterschichtenfolge 10 weist eine lichtemittierende Halbleiterschicht auf und kann, wie oben erläutert, mit Elektrodenschichten 12 bereitgestellt werden.
Da das als Wachstumssubstrat-Wafer bereitgestellte Substrat 14 eine Dicke aufweist, die deutlich größer ist als die gewünschte Substratdicke im finalen lichtemittierenden Halbleiterchip, wird das Substrat 14 in einem weiteren Verfahrensschritt ausgedünnt, um die Substratdicke zu reduzieren, wie in 3C gezeigt. Das Ausdünnen kann beispielsweise durch Ätzen oder Schleifen erfolgen. Typischerweise wird die Dicke des Substrats 14 auf etwa 150 µm reduziert. Alternativ kann die finale Substratdicke auch größer oder kleiner sein, je nach den gewünschten Eigenschaften des Substrats. Anschließend oder in Verbindung mit dem Verfahren zum Ausdünnen wird die Oberflächenstruktur 15 auf der von der ersten Hauptfläche 141 abgewandten Seite des Substrats 14 hergestellt, wodurch die zweite Hauptfläche 142 mit der Oberflächenstruktur 15 ausgebildet wird, wie in 3D gezeigt. Das Ausbilden der Oberflächenstruktur 15 kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren erfolgen. Wie oben beschrieben, bildet die zweite Hauptfläche 142 des Substrats 14 die Lichtauskopplungsfläche 13 aus.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann die Wellenlängenkonversionsschicht mit QDs auf die Lichtauskopplungsfläche 13 aufgebracht und der Wafer vereinzelt, so dass eine Vielzahl von lichtemittierenden Bauelementen 100, wie in den 1A bis 1C dargestellt, hergestellt wird.
Die 4A bis 4C zeigen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des lichtemittierenden Bauelements 100 der 1A bis 1C gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Substrat 14 wird mit einer ersten Hauptfläche 141 und einer zweiten Hauptfläche 142 bereitgestellt, wobei die zweite Hauptfläche 142 mit der Oberflächenstruktur 15 und die erste Hauptfläche 141 mit der weiteren Oberflächenstruktur 16 bereitgestellt wird. Alternativ kann das Substrat 14 auch mit einer ebenen ersten Hauptfläche 141 ohne die weitere Oberflächenstruktur 16 bereitgestellt werden. Somit ist das Substrat 14 im Gegensatz zur Ausführungsform der 3A bis 3D als Wafer mit zwei strukturierten Hauptflächen und einer Dicke bereitgestellt, die der gewünschten finalen Substratdicke im lichtemittierenden Bauelement entspricht. Da diese Dicke für eine ausreichende Stabilität in den folgenden Verfahrensschritten in der Regel zu gering ist, wird das Substrat 14 mit der zweiten Hauptfläche 142 mittels einer Verbindungsschicht 92, die beispielsweise ein Klebstoff sein kann, auf einem temporären Träger 91 befestigt. Der durch den temporären Träger 91 und das Substrat 14 gebildete Verbund weist eine Dicke auf, die typischerweise deutlich mehr als etwa 150 µm betragen kann und eine ausreichende Stabilität bereitstellt.
Wie in 4B gezeigt, werden die Halbleiterschichtenfolge 10 und die Elektrodenschichten 12 auf der ersten Hauptfläche 141 wie oben erläutert abgeschieden. Anschließend werden, wie in 4C gezeigt, der temporäre Träger 91 und die Verbindungsschicht 92 durch ein Lift-off-Verfahren entfernt, um das Substrat 14 mit den darauf abgeschiedenen Chipschichten vom temporären Träger 91 freizulegen. Wie oben beschrieben, bildet die nun freigelegte zweite Hauptfläche 142 des Substrats 14 die Lichtauskopplungsfläche 13. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Wellenlängenkonversionsschicht mit QDs auf die Lichtauskopplungsfläche 13 aufgebracht und der Wafer in eine Vielzahl von lichtemittierenden Bauelementen 100 vereinzelt, wie in den 1A bis 1C dargestellt.
In den folgenden Figuren sind weitere Ausführungsformen des lichtemittierenden Bauelements 100 dargestellt, die Modifikationen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind. Die folgende Beschreibung konzentriert sich daher hauptsächlich auf die Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsformen.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements 100 dargestellt, die eine Zwischenschicht 3 aufweist, die auf einer Oberfläche des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 angeordnet ist. Insbesondere ist die Zwischenschicht 3 auf, vorzugsweise direkt auf der Lichtauskopplungsfläche 13 angeordnet. Die Zwischenschicht 3 kann beispielsweise durch ein gepulstes Laserdepositionsverfahren (PLD) abgeschieden oder auf die zweite Hauptfläche 142 aufgeklebt werden. Wie in 5 gezeigt, kann die Lichtauskopplungsfläche 13, die in der vorliegenden Ausführungsform die zweite Hauptfläche 142 des Substrats 14 ist, flach und ohne Oberflächenstruktur sein. Alternativ kann die Lichtauskopplungsfläche 13 eine Oberflächenstruktur aufweisen und die Zwischenschicht 3 kann direkt auf die Oberflächenstruktur der Lichtauskopplungsfläche 13 aufgebracht werden.
Die Wellenlängenkonversionsschicht 2 wird auf der Zwischenschicht 3 abgeschieden, bevorzugt direkt auf der Zwischenschicht 3. Die Zwischenschicht 3 weist eine von der Lichtauskopplungsfläche 13 abgewandte Oberfläche auf, die eine Oberflächenstruktur 15 aufweist. Wie dargestellt, ist die Wellenlängenkonversionsschicht 2 direkt auf der Oberflächenstruktur 15 der Zwischenschicht 3 abgeschieden. Die Oberflächenstruktur 15 kann wie oben beschrieben ausgebildet sein.
Bevorzugt umfasst die Zwischenschicht 3 ein Wellenlängenkonversionsmaterial oder besteht aus einem solchen. Das Wellenlängenkonversionsmaterial, das sich von QDs unterscheiden kann, kann geeignet sein, zumindest einen Teil des von dem lichtemittierenden Halbleiterchip 1 emittierten Lichts in Licht mit einer anderen Wellenlänge zu konvertieren, die sich auch von der Wellenlänge des Lichts unterscheiden kann, das von der Wellenlängenkonversionsschicht 2 emittiert wird. Beispielsweise kann die Zwischenschicht 3 ein keramisches Wellenlängenkonversionsmaterial umfassen, das in Form einer Keramikschicht oder in Form von in einem Matrixmaterial dispergierten Partikeln vorliegen kann. Das Wellenlängenkonversionsmaterial der Zwischenschicht 3 kann beispielsweise YAG und/oder LuAG oder einen anderen Granat umfassen und kann beispielsweise mit Ce dotiert sein. Die Kombination aus dem lichtemittierenden Halbleiterchip 1, der Wellenlängenkonversionsschicht 2 mit den QDs und der Zwischenschicht 3 mit dem Wellenlängenkonversionsmaterial kann bevorzugt ein Weißlicht-emittierendes Bauelement 100 mit einer integrierten QD-Schicht ergeben.
In den 6A und 6B ist eine weitere Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements 100 dargestellt, die eine Verkapselungsschicht 4 aufweist, die auf der Wellenlängenkonversionsschicht 2 angeordnet ist. 6B zeigt eine Detailaufnahme eines Teils des lichtemittierenden Bauelements 100 aus 6A.
Bevorzugt ist die Verkapselungsschicht 4 transparent und kann, wie in den 6A und 6B gezeigt, direkt auf der Wellenlängenkonversionsschicht 2 angeordnet sein, so dass die Verkapselungsschicht 4 in direktem Kontakt mit zumindest einigen der QDs der Wellenlängenkonversionsschicht 2 angeordnet ist. Die Verkapselungsschicht 4 kann eine oder mehrere Schichten umfassen oder daraus bestehen, die für eine Barrierewirkung der Verkapselungsschicht 4 verantwortlich sind. Die eine oder mehreren Schichten können ein oder mehrere anorganische und/oder organische Materialien umfassen, wie oben im allgemeinen Teil beschrieben. Bevorzugt weist die Verkapselungsschicht 4 eine Schichtenfolge auf, die eine Vielzahl von Schichten, beispielsweise eine Vielzahl von ausschließlich anorganischen Schichten oder eine Vielzahl von anorganischen und organischen Schichten, die abwechselnd übereinander angeordnet sind, aufweist. Beispielhaft sind in der Detailansicht in 6B drei Schichten 41, 42, 43 der Verkapselungsschicht 4 dargestellt. Alternativ kann die Verkapselungsschicht 4 auch weniger als oder mehr als drei Schichten aufweisen.
In den oben erläuterten Ausführungsformen wird die Lichtauskopplungsfläche 13 durch die zweite Hauptfläche 142 des Substrats 14 gebildet. Auf diese Weise ist es möglich, das lichtemittierende Bauelement 100 als ein lichtemittierendes Konversionsbauelement unter Verwendung eines 1- oder 2-seitig strukturierten Oberflächensubstrats, insbesondere aus Saphir, und eines integrierten QD-Films, der durch die Wellenlängenkonversionsschicht 2 gebildet wird, die auf einer von der strukturierten Oberflächen des Substrats 14 oder einer Zwischenschicht 3 auf dem Substrat 14 abgeschieden wird, herzustellen. Durch Einbringen einer geeigneten Topographie auf der Nicht-Epitaxie-Seite des Substrats ist es möglich, den konventionellen Verfahrensablauf zur Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterchips in Kombination mit dem Einbringen der speziell durch QDs ausgebildeten Wellenlängenkonversionsschicht zu verwenden. Wie oben erläutert, wird nach der Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterchips, der beispielsweise ein blaulichtemittierender Halbleiterchip sein kann, die QD-Schicht auf der Oberflächenstruktur abgeschieden.
Weiterhin ist es möglich, dass der lichtemittierende Halbleiterchip ein Trägersubstrat umfasst, auf das die Schichtenfolge übertragen wurde, nachdem die Halbleiterschichten auf einem Wachstumssubstrat gewachsen sind. In diesem Fall kann die Lichtauskopplungsfläche durch eine andere Oberfläche des lichtemittierenden Halbleiterchips ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Lichtauskopplungsfläche 13 eine Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 10 sein, wie in der Detailansicht in 7 gezeigt. Die Wellenlängenkonversionsschicht 2 kann direkt auf einer Oberflächenstruktur 15 auf der Lichtauskopplungsfläche 13 der Halbleiterschichtenfolge 10 abgeschieden werden. Alternativ kann auf der Lichtauskopplungsfläche 13 der Halbleiterschichtfolge 10 eine Zwischenschicht angeordnet werden, die ein transparentes Material und/oder ein Wellenlängenkonversionsmaterial umfassen kann, und die Wellenlängenkonversionsschicht 2 kann auf der Zwischenschicht abgeschieden werden.
Da in allen Ausführungsformen die Wellenlängenkonversionsschicht mit den QDs ein integraler Bestandteil des lichtemittierenden Bauelements ist, ist es möglich, einen festen QD-haltigen Verbund mit den Möglichkeiten einer verbesserten Kontrolle und Stabilität der Position der QDs sowie eines Schutzes und einer Verkapselung der QDs herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht die integrierte QD-haltige Wellenlängenkonversionsschicht eine verbesserte Farbanpassung des lichtemittierenden Bauelements. Da die Abscheidung der Wellenlängenkonversionsschicht mit den QDs in einen konventionellen Design- und Verfahrensablauf zur Herstellung lichtemittierender Halbleiterchips integriert werden kann, ist eine Kostenreduktion im Vergleich zu Herangehensweisen mit freistehenden QD-Konvertern möglich.
Alternativ oder zusätzlich zu den im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Merkmalen können die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen weitere, im allgemeinen Teil der Beschreibung beschriebene Merkmale umfassen. Außerdem können Merkmale und Ausführungsformen der Figuren miteinander kombiniert werden, auch wenn eine solche Kombination nicht explizit beschrieben ist.
Die Erfindung wird durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, die insbesondere jede Merkmalskombination aus den Patentansprüchen umfasst, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: lichtemittierender Halbleiterchip
2: Wellenlängenkonversionsschicht
3: Zwischenschicht
4: Verkapselungsschicht
10: Halbleiterschichtenfolge
11: lichtemittierende Halbleiterschicht
12: Elektrodenschicht
13: Lichtauskopplungsfläche
13': Rückseitenfläche
13'': Seitenfläche
14: Substrat
15: Oberflächenstruktur
16: weitere Oberflächenstruktur
20: Quantenpunkt
41, 42, 43: Schicht
91: temporärer Träger
92: Verbindungsschicht
100: lichtemittierendes Bauelement
141: erste Hauptfläche
142: zweite Hauptfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16199755 [0001]

Claims

Lichtemittierendes Bauelement (100), umfassend einen lichtemittierenden Halbleiterchip (1) mit einer Halbleiterschichtenfolge (10), die zumindest eine lichtemittierende Halbleiterschicht (11) und eine Lichtauskopplungsfläche (13) umfasst, eine Wellenlängenkonversionsschicht (2), die auf der Lichtauskopplungsfläche angeordnet ist, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht Quantenpunkte (20) umfasst.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht frei von einem organischen Matrixmaterial ist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht im Wesentlichen aus den Quantenpunkten besteht.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberflächenstruktur (15) auf der Lichtauskopplungsfläche bereitgestellt ist und die Wellenlängenkonversionsschicht direkt auf der Oberflächenstruktur abgeschieden ist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtauskopplungsfläche eine Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge ist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lichtemittierende Halbleiterchip ein Substrat (14) mit einer ersten Hauptfläche (141) und einer zweiten Hauptfläche (142) umfasst, wobei die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht auf der zweiten Hauptfläche angeordnet ist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 6, wobei die zweite Hauptfläche die Lichtauskopplungsfläche ist und die Oberflächenstruktur aufweist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Hauptfläche eine weitere Oberflächenstruktur (16) aufweist und die Halbleiterschichtenfolge auf der weiteren Oberflächenstruktur aufgewachsen ist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zwischenschicht (3) auf der Lichtauskopplungsfläche angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht eine von der Lichtauskopplungsfläche abgewandte Oberfläche aufweist, die die Oberflächenstruktur aufweist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 9, wobei die Zwischenschicht ein Wellenlängenkonversionsmaterial umfasst.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Verkapselungsschicht (4) auf der Wellenlängenkonversionsschicht abgeschieden ist.
Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 11, wobei die Verkapselungsschicht eine Vielzahl von Schichten umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements (100), wobei ein lichtemittierender Halbleiterchip (1) bereitgestellt wird, wobei der lichtemittierende Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge (10) aufweist, die zumindest eine lichtemittierende Halbleiterschicht (11) und eine Lichtauskopplungsfläche (13) umfasst, wobei eine Wellenlängenkonversionsschicht (2) auf der Lichtauskopplungsfläche abgeschieden wird, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht Quantenpunkte (20) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht durch zumindest eines von Tropfenguss, Tintenstrahldruck, Schichttransfer abgeschieden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei eine Oberflächenstruktur (15) auf der Lichtauskopplungsfläche bereitgestellt wird und die Wellenlängenkonversionsschicht direkt auf der Oberflächenstruktur abgeschieden wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei ein Substrat (14) mit einer ersten Hauptfläche (141) und einer zweiten Hauptfläche (142) bereitgestellt wird, wobei die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche aufgewachsen wird, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht auf der zweiten Hauptfläche abgeschieden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Oberflächenstruktur in der zweiten Hauptfläche erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die Oberflächenstruktur in der zweiten Hauptoberfläche bereitgestellt wird, bevor die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird, wobei das Substrat mit der zweiten Hauptfläche auf einem temporären Träger (91) angeordnet wird, bevor die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird, und wobei der temporäre Träger nach dem Anordnen der Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche entfernt wird, wodurch die Oberflächenstruktur auf der zweiten Hauptfläche freigelegt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Oberflächenstruktur auf der zweiten Hauptfläche bereitgestellt wird, nachdem die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Substrat ausgedünnt wird, bevor die Oberflächenstruktur auf der zweiten Hauptfläche bereitgestellt wird und nachdem die Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Hauptfläche angeordnet wird.