DE112022002850T5

DE112022002850T5 - Halbleiterlichtquelle, abdeckkörper und verfahren

Info

Publication number: DE112022002850T5
Application number: DE112022002850.5T
Authority: DE
Inventors: Darshan Kundaliya; Alan Lenef; Thomas Dreeben
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-03-14
Also published as: US20230086879A1; WO2023046431A1; CN117999660A

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle (1)- einen optoelektronischen Halbleiterchip (2), der zur Emission von Strahlung (R) eingerichtet ist, und- einen auf dem optoelektronischen Halbleiterchip (2) aufgebrachten Abdeckkörper (5), wobei der Abdeckkörper (5) einen lichtdurchlässigen Grundkörper (3) umfasst,wobei der lichtdurchlässige Grundkörper (3) im Querschnitt gesehen eine Vielzahl von Aussparungen (32) mit geneigten Seitenflächen (33) aufweist, die Aussparungen (32) an einer dem optoelektronischen Halbleiterchip (2) abgewandten Emissionsseite (30) des lichtdurchlässigen Grundkörpers (3) beginnen und sich zum optoelektronischen Halbleiterchip (2) hin verjüngen, undwobei auf der Emissionsseite (30) benachbarten oberen Bereichen (34) der Aussparungen (32) eine Spiegelbeschichtung (4) aufgebracht ist und dem optoelektronischen Halbleiterchip (2) nächstgelegene untere Bereiche (35) der Aussparungen (32) frei von der Spiegelbeschichtung (34) sind.

Description

Es wird eine Halbleiterlichtquelle angegeben. Außerdem wird ein Abdeckkörper für eine solche Halbleiterlichtquelle angegeben.
Ein Problem, das es zu lösen gilt, ist die Bereitstellung einer Halbleiterlichtquelle mit verbesserten Emissionseigenschaften.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Halbleiterlichtquelle, durch einen Abdeckkörper und durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Exemplarische Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips. Der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip ist so ausgestaltet, dass er Strahlung emittiert. Der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip ist zum Beispiel ein Leuchtdiodenchip, kurz LED-Chip, oder ein Laserdiodenchip. Es ist möglich, dass verschiedene Arten von optoelektronischen Halbleiterchips in der Halbleiterlichtquelle vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip so konfiguriert, dass er nah-ultraviolette Strahlung oder sichtbares Licht emittiert. Zum Beispiel beträgt eine Peak-Wellenlänge der von dem mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip emittierten Strahlung mindestens 360 nm und/oder höchstens 680 nm. Insbesondere ist der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip so ausgestaltet, dass er blaues Licht mit einer Peak-Wellenlänge von mindestens 435 nm und/oder von höchstens 485 nm emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle einen oder mehrere Abdeckkörper. Der mindestens eine Abdeckkörper ist direkt oder indirekt auf dem optoelektronischen Halbleiterchip aufgebracht. Der mindestens eine Abdeckkörper ist beispielsweise so ausgestaltet, dass er einen Emissionswinkel der emittierten Strahlung auf der Emissionsseite verengt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Abdeckkörper einen Grundkörper. Der Grundkörper ist lichtdurchlässig. Vorzugsweise ist der Grundkörper transparent, es ist aber auch möglich, dass der Grundkörper trüb ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der lichtdurchlässige Grundkörper, beispielsweise in mindestens einem Querschnitt senkrecht zur Emissionsseite gesehen, eine Vielzahl von Aussparungen mit schrägen Seitenflächen auf. Die Aussparungen beginnen an einer dem optoelektronischen Halbleiterchip abgewandten Emissionsseite des lichtdurchlässigen Grundkörpers. Die Aussparungen verengen sich in Richtung des optoelektronischen Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Abdeckkörper eine Spiegelbeschichtung auf. Die Spiegelbeschichtung ist nur auf den der Emissionsseite zugewandten oberen Bereichen der Aussparungen vorgesehen. Untere Bereiche der Aussparungen, die dem optoelektronischen Halbleiterchip am nächsten liegen, sind somit frei von der Spiegelbeschichtung. Die Spiegelbeschichtung ist für die Strahlung, für die der Abdeckkörper ausgelegt ist, reflektierend.
Zum Beispiel beträgt das Reflexionsvermögen für diese Strahlung mindestens 85 % oder mindestens 95 % oder mindestens 98 %. Vorzugsweise besteht für die genannte Strahlung keine besondere spektrale Abhängigkeit des Reflexionsvermögens. Das heißt, mit einer Toleranz von höchstens 10 Prozentpunkten oder von höchstens 5 Prozentpunkten ist das Reflexionsvermögen der Spiegelbeschichtung für alle Wellenlängen der Strahlung, für die der Abdeckkörper ausgelegt ist, gleich.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle einen optoelektronischen Halbleiterchip, der so ausgestaltet ist, dass er Strahlung emittiert, und einen Abdeckkörper, der auf dem optoelektronischen Halbleiterchip angebracht ist. Der Abdeckkörper umfasst einen lichtdurchlässigen Grundkörper. Der lichtdurchlässige Grundkörper weist im Querschnitt gesehen eine Vielzahl von Aussparungen mit geneigten Seitenflächen auf, wobei die Aussparungen an einer dem optoelektronischen Halbleiterchip abgewandten Emissionsseite des lichtdurchlässigen Grundkörpers beginnen und sich zum optoelektronischen Halbleiterchip hin verengen. Obere, der Emissionsseite benachbarte Bereiche der Aussparungen sind mit einer Spiegelbeschichtung versehen, untere, dem optoelektronischen Halbleiterchip zugewandte Bereiche der Aussparungen sind frei von der Spiegelbeschichtung.
In vielen Anwendungen der Festkörperbeleuchtung, kurz SSL für solid-state lighting, regen blaue Pump-LEDs eine Leuchtstoffplatte an, die auch als Wellenlängenkonverter bezeichnet wird, um eine längerwellige Emission zu erzeugen, die entweder mit dem nicht absorbierten blauen Licht, das durch den Leuchtstoff gelangt, zur Erzeugung von weißem Licht kombiniert oder allein verwendet werden kann, wobei das blaue Licht vollständig absorbiert wird. Bei leuchtstoffkonvertierten LEDs ist das Emissionsspektrum in der Regel sehr viel breiter als bei direkten LED-Emissionen. In einigen Fällen können blaue Diodenlaser als Anregungsquelle für den Leuchtstoff dienen und werden dann als entfernt platzierter, laseraktivierter Leuchtstoff bezeichnet, kurz LARP für laser-activated remote phosphor.
Bei Projektionsanwendungen zum Beispiel wird die Effizienz der Lichtsammlung durch ein vorgeschaltetes optisches System durch die Etendue der Quelle begrenzt. Bei SSL-Projektionsanwendungen, die auf LEDs oder LARP-Quellen basieren, wird das Licht in eine vollständige Halbkugel abgestrahlt, die in der Regel einem Lambert'schen Strahlungsintensitätsmuster nahe kommt. Die Konstruktion von Linsen oder Spiegeln zur Erfassung der gesamten halbkugelförmigen Winkelverteilung des von einem solchen Gerät abgestrahlten Lichts ist ein schwieriges Problem. In der Praxis sammelt die Sammel-/Kollimationsoptik das Licht nur bis zu einem bestimmten Winkelkegel, zum Beispiel ±60°, was die Effizienz des Systems erheblich verringert. Die Effizienz könnte durch den Einsatz von Optiken erhöht werden, die Licht mit größeren Winkeln sammeln, was jedoch die Größe und das Gewicht des optischen Systems stark erhöht.
Die Erzielung einer gerichteten Winkelabstrahlung von einer angeregten Leuchtstoffplatte, zum Beispiel einem keramischen Leuchtstoff oder einem Pulver in einer Matrixplatte, die mit einer blauen LED verbunden ist, ist eine Herausforderung, wenn die Etendue der Quelle nicht erhöht werden soll. Bei dem Versuch, eine allgemeine optische Oberflächenstruktur auf dem Phosphorkonverter zu entwerfen, die die Winkelabstrahlung einschränkt, führen Verluste im LED-Chip immer zu einem gewissen Verlust an Strahlungs- oder Lichtstrom. Dies ist die Folge einer grundsätzlichen Begrenzung der Übertragung durch strukturierte Oberflächen von einem Licht erzeugenden Medium mit einem Brechungsindex n2 in ein Ausgangsmedium, wie zum Beispiel Luft, mit einem niedrigeren Brechungsindex n1.
In der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle wird das Problem der Sammeleffizienz durch eine winkelakzeptanzbegrenzte Sekundäroptik gelöst, indem ein Verfahren zur Erzeugung gerichteter Emission zum Beispiel aus einer leuchtstoffkonvertierten LED- oder LARP-Quelle bereitgestellt wird. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Erzeugung von gerichteter Emission über einen breiten Spektralbereich ohne wellenlängenabhängiges Winkel-Emissionsverhalten bereitgestellt. Der Nettoeffekt ist die Verringerung des Etendue der Quelle durch Verkleinerung des Emissionswinkels und damit die Erhöhung der Kopplungseffizienz in einem Etendue-begrenzten optischen System. Dies erhöht die Strahldichte und/oder die Leuchtdichte der Quelle. Dies bedeutet, dass mehr Strahlung von der nachgeschalteten Sammel-/Kollimationsoptik aufgefangen werden kann, was die Systemeffizienz erhöht.
Ein solcher Ansatz unterscheidet sich von der bloßen Anbringung einer Silikonlinse auf einer phosphoremittierenden Oberfläche, da dies die Etendue der Lichtquelle erhöht. Da die in der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle erzielte Richtwirkung breitbandig ist, eignet sich dieser Ansatz besonders für die gerichtete Emission von weißem Licht aus LED-Chips, die zum Beispiel in Automobil- oder Projektionsanwendungen eingesetzt werden. Dieser Ansatz kann auch für mittels Leuchtstoff generierte grüne Kanäle in LED-RGB-Projektion oder für medizinische Anwendungen, wie Glasfaserendoskope, verwendet werden, die sowohl niedrige Etendue als auch hochwertige Breitbandspektren erfordern. In der Praxis erzeugt eine solche Lichtquelle im Vergleich zu einer Standard-Lambert'schen-Quelle mehr Licht- oder Strahlungsstrom in einem gewünschten Emissionskegel.
Eine Leuchtdiode, ein LED-Chip, erzeugt beispielsweise kurzwelliges Pumplicht, zum Beispiel die blaue Emission eines InGaN-LED-Chips. Dieses Pumplicht regt ein Mittel zur Wellenlängenumwandlung an, das auch als Leuchtstoff bezeichnet wird, um umgewandeltes Licht mit einer längeren Wellenlänge zu erzeugen. Ein LED-Gehäuse kann entweder nur Leuchtstoffemission oder eine Kombination aus Pumplicht und Leuchtstoffemission bieten, um weißes Licht zu erzeugen. Diese werden normalerweise als Vollkonversions- und Teilkonversions-LEDs bezeichnet. Der Grad der Pumplichtübertragung wird durch die Absorptionseigenschaften des Leuchtstoffs, die Volumenstreuung in der Wellenlängenkonversionseinrichtung, die Oberflächenstreuung durch verschiedene Strukturen im Gehäuse, reflektierende Oberflächen wie Spiegel auf dem LED-Chip, Fresnel-Oberflächen und Emissionsbegrenzungsstrukturen, wie mit TiO₂ gefülltes Silikon, gesteuert, um eine Seitenemission des Leuchtstoffs und des Chips zu recyceln.
Insbesondere wird ein blau emittierender InGaN-Chip mit einem Ce:GdYAG-Leuchtstoff kombiniert, um in einer Ausgestaltung mit partieller Konversion weißes Licht zu erzeugen. Die Kombination eines InGaN-Chips mit stärker absorbierenden Ce:LuAG-Leuchtstoffen kann grüne Emission erzeugen. Typische Wellenlängenkonversionsmittel können keramische Leuchtstoffe, Pulverleuchtstoff in Silikon, Epoxid, Polysiloxan oder anderen robusten organischen Matrixmaterialien oder monokristalline Leuchtstoffe sein. Die Wellenlängenkonversionseinrichtung kann jedes bekannte Leuchtstoffmaterial umfassen, einschließlich Ce³⁺- oder Eu²⁺dotierte Oxide und Nitride, Quantenpunkt-Leuchtstoffe und Infrarot-Leuchtstoffe.
Um die niedrigste Etendue zu erhalten, ist es wünschenswert, dass sowohl der Leuchtstoff als auch der LED-Chip eine ebene Geometrie haben. Der LED-Chip verfügt in der Regel über eine Extraktionsstruktur auf der emittierenden Seite und einen Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen auf der gegenüberliegenden Seite, um das gesamte gestreute Pump- und Konversionslicht zurück in die Vorwärtsrichtung zu leiten. Der LED-Chip kann jedoch auch ein Substrat, wie Saphir, enthalten, wobei reflektierende Oberflächen an den Seiten und an der Unterseite des LED-Chips das Licht in Richtung der Wellenlängenkonversionseinrichtung umlenken. Solche LED-Chips können auch in einer so genannten Flip-Chip-Ausgestaltung betrieben werden, bei der die Vorwärtsemission durch das Substrat erfolgt. Die Wellenlängenkonversionseinrichtung wird mit dem LED-Chip verbunden, zum Beispiel mit einem Verbindungsmaterial wie Silikonkleber. Die emittierende Oberfläche der Wellenlängenkonversionseinrichtung kann die ursprüngliche Oberfläche, eine polierte Oberfläche oder möglicherweise eine aufgeraute Oberfläche sein.
Im Allgemeinen ist der Brechungsindex der Wellenlängenkonversionseinrichtung höher als der des Austrittsmediums, bei dem es sich in der Regel um Luft handelt. Das Austrittsmedium könnte auch ein Material wie Silikon sein, um Licht in andere optische Strukturen einzukoppeln. In einigen Fällen kann die leuchtende Oberfläche mit einem Verkapselungsmaterial bedeckt sein, um sie vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder korrosiven Gasen zu schützen. Die Lichtextraktion in das Austrittsmedium erfolgt beispielsweise durch Volumenstreuung im Leuchtstoff, raue oder strukturierte Oberflächenstreuung auf der emittierenden Seite der Wellenlängenkonversionseinrichtung, Streuung an der LED-Extraktionsstruktur und am Spiegel oder durch eine beliebige Kombination dieser Extraktionsmechanismen.
Bei polierten Emissionsflächen der Wellenlängenkonversionseinrichtung ist die Lichtemission in das Austrittsmedium sowohl des Pump- als auch des Konversionslichts durch die Bedingung des kritischen Winkels für Strahlen innerhalb des Wellenlängenkonverters begrenzt. Strahlen, die jenseits des kritischen Winkels liegen, unterliegen der internen Totalreflexion (TIR) und werden von den verschiedenen internen Extraktionsstrukturen und Streuungsmechanismen rezykliert, womit sie einen weiteren Versuch durchlaufen, den Leuchtstoff zu verlassen. Strahlen, die innerhalb des Kegels des kritischen Winkels liegen, treten aus dem Leuchtstoff in das austretende Medium in Form einer vollen Halbkugel aus, die in der Regel eine Licht- oder Strahlungsstärkeverteilung aufweist, die der Lambert'schen Verteilung nahe kommt.
Vorzugsweise umfasst die hier beschriebene Halbleiterlichtquelle drei technische Merkmale, die eine Lösung für das Problem der gerichteten Winkelabstrahlung mit einem Nettowirkungsgradgewinn im Vergleich zu einer optimierten vorwärts emittierenden LED oder einer konvertierten LED, die in einen begrenzten Winkelkegel abstrahlt, bieten. Obwohl die Hauptanwendung der Halbleiterlichtquelle bei breitbandigen Emittern wie konvertierten LEDs liegt, gilt das Prinzip sowohl für direkte LED-Quellen als auch für konvertierte LEDs und sogar für Nicht-LED- oder LARP-Anwendungen.
Die Halbleiterlichtquelle basiert beispielsweise auf einer Oberflächenstruktur, die auch als Abdeckkörper bezeichnet wird und direkt auf die emittierende Oberfläche der Umgewandlungseinheit aus LED und Leuchtstoffplatte aufgebracht wird. Es gibt eine Reihe von Verfahren, mit denen entweder eine separate strukturierte Oberfläche gebondet oder die Oberfläche direkt auf der Anordnung aus LED und Leuchtstoffplatte erzeugt werden kann. Die Oberfläche kann sogar direkt in den Leuchtstoff eingeprägt oder anderweitig strukturiert werden, ohne dass die Volumenstreuung eingeschränkt wird.
Die hier beschriebene Halbleiterlichtquelle erfordert also keine speziellen Bedingungen hinsichtlich des Leuchtstoffs, wie zum Beispiel ein nicht streuendes einkristallines Material, das in der Massenproduktion teuer ist. Die hier beschriebene Halbleiterlichtquelle kann mit nahezu jedem streuenden Leuchtstoff verwendet werden. Die Absorptionseigenschaften des Leuchtstoffs und damit die Farbe können durch die üblichen Verfahren, wie die Erhöhung der Streuung oder der Beladung mit Leuchtstoffteilchen, weiter eingestellt werden.
Die Strukturierung der Oberfläche ist beispielsweise durch pyramidenförmige Formen gegeben, die typischerweise im 10-Mikrometer-Bereich liegen, um starke unerwünschte Beugungseffekte zu vermeiden, die zu Artefakten und einer stärkeren Abhängigkeit von der Wellenlänge führen könnten. Das heißt, die strukturierte Oberfläche ist im Wesentlichen ein brechendes Bauelement und darf nicht als wellenoptisches Bauelement betrachtet werden.
Daher wird bei der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle vorzugsweise eine zusätzliche hochreflektierende Spiegelbeschichtung auf den oberen Teilen der Oberflächenstruktur aufgebracht, um eine harte Grenze für die Übertragung von Strahlen mit hohem Winkel zu bilden. Die der Spiegelbeschichtungen sollten dielektrischer Art sein, um Verluste zu vermeiden, die sich durch den Recyelingeffekt der Spiegelbeschichtung vervielfachen können.
Mit dem Abdeckkörper kann eine nahezu wellenlängenunabhängige Beschichtung erreicht werden, die nur auf den oberen Teilen der strukturierten Oberfläche aufgebracht wird. Dies kann durch eine Vielzahl von lithografischen oder Prägetechniken erfolgen. Zum Beispiel wird die Oberflächenstruktur direkt auf die emittierende Oberfläche der LED-Leuchtstoffplatte aufgebracht, was bedeutet, dass eine Vielzahl von Verfahren verwendet werden kann, um entweder eine separate strukturierte Oberfläche zu bonden oder die Oberflächenstrukturierung direkt auf der Leuchtstoffplatte zu erzeugen.
Die Oberflächenstrukturierung kann durch verschiedene Verfahren wie Prägen, Gießen oder Graustufenlithographie erfolgen. Die Spiegelbeschichtung kann durch CVD oder andere konforme Abscheidetechniken erfolgen, bei denen zunächst ein Barrierematerial auf die Täler der Oberflächenstruktur aufgebracht wird und nach der Beschichtung ein Lift-off-Verfahren angewandt werden kann.
Außerdem kann eine Verarbeitung auf Waferebene verwendet werden.
Mit Hilfe des Abdeckkörpers kann eine gerichtete Lichtemission von inkohärenten Festkörperlichtquellen wie konvertierten LEDs, nicht konvertierten LEDs, LARP-Quellen erzeugt oder einer Beleuchtungsquelle in einem optischen Projektionssystem, zum Beispiel einem faserbasierten Endoskop, nachgeschaltet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Aussparungen pyramiden- oder kegelförmig oder haben die Form eines Kegelstumpfs oder eines Pyramidenstumpfs. Der Kegel oder Kegelstumpf kann beispielsweise eine kreisförmige oder ellipsenförmige Grundfläche haben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Höhe der Spiegelbeschichtung zwischen einschließlich 5 % und 50 % oder zwischen einschließlich 10 % und 40 % oder zwischen einschließlich 15 % und 30 % der Gesamthöhe der Aussparungen. Beispielsweise liegt die Gesamthöhe der Aussparungen zwischen einschließlich 5 µm und 50 µm oder zwischen einschließlich 10 µm und 35 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt im Querschnitt gesehen der Halbwinkel zwischen den geneigten Seitenflächen der Aussparungen zwischen einschließlich 12° und 35° oder zwischen einschließlich 15° und 25°. So können sich die Aussparungen in einem spitzen Winkel verjüngen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle ferner eine Wellenlängenkonversionseinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mindestens einen Teil der Strahlung, die zu emittieren der optoelektronische Halbleiterchip konfiguriert ist, in eine Sekundärstrahlung umwandelt. Die Wellenlängenkonversionseinrichtung ist zwischen dem optoelektronischen Halbleiterchip und dem Abdeckkörper angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Wellenlängenkonversionseinrichtung eine planparallele Platte. Der Abdeckkörper ist beispielsweise mittels eines ersten Klebers, der zwischen dem Abdeckkörper und der Wellenlängenkonversionseinrichtung angeordnet ist, an der Wellenlängenkonversionseinrichtung befestigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Abdeckkörper eine untere Aussparung auf einer den mehreren Aussparungen gegenüberliegenden Seite. Vorzugsweise ist genau eine große untere Aussparung vorhanden. Die untere Aussparung ist der Wellenlängenkonversionseinrichtung zugewandt. Die untere Aussparung ist von einem Rand umgeben, insbesondere von einem geschlossenen Rand. Mittels der unteren Aussparung kann ein Luftspalt zwischen dem Abdeckkörper und der Wellenlängenkonversionseinrichtung angeordnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Wellenlängenkonversionseinrichtung teilweise oder vollständig in der unteren Aussparung. Das heißt, die Wellenlängenkonversionseinrichtung kann teilweise oder vollständig von dem Rand umgeben sein. Alternativ ist der Rand auf einer dem Abdeckkörper zugewandten Seite der Wellenlängenkonversionseinrichtung angebracht, so dass sich die untere Aussparung vollständig auf einer dem Halbleiterchip abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionseinrichtung befinden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Abdeckkörper ein Wellenlängenkonversionsmaterial, das so konfiguriert ist, dass es zumindest einen Teil der Strahlung, die der optoelektronische Halbleiterchip emittiert, in eine Sekundärstrahlung umwandelt. Mit anderen Worten kann der Abdeckkörper die Wellenlängenkonversionseinrichtung sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Spiegelbeschichtung ein breitbandiger mehrlagiger Dielektrikum-Spiegel. Zusätzlich oder alternativ kann die Spiegelbeschichtung eine metallische Reflexionsschicht, zum Beispiel aus Silber oder Aluminium, enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Aussparungen in Draufsicht auf die Emissionsseite gesehen rechteckig, trigonal, sechseckig, elliptisch oder kreisförmig. Beispielsweise haben die Aussparungen die Form eines gleichseitigen Dreiecks, eines Quadrats oder eines regelmäßigen Sechsecks.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Aussparungen im Querschnitt gesehen symmetrisch ausgebildet. Zum Beispiel gibt es eine Spiegelsymmetrie-Achse für die jeweilige Aussparung, die senkrecht zur Abstrahlseite verläuft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlaufen die Aussparungen durch mindestens 50 % oder durch mindestens 70 % oder durch mindestens 90 % oder durch mindestens 98 % des lichtdurchlässigen Grundkörpers, und zwar in einer Richtung senkrecht zur Emissionsseite. Das heißt, die Tiefe der Aussparungen kann etwa gleich der Dicke des lichtdurchlässigen Grundkörpers sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Emissionsseite außerhalb der Aussparungen eben. Das heißt, die einzigen Unebenheiten der Emissionsseite können durch die Aussparungen verursacht sein, und ansonsten ist die Emissionsseite eben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Periodenlänge eines Musters der Aussparungen in Draufsicht auf die Emissionsseite gesehen zwischen einschließlich 10 µm und 0,1 mm oder zwischen einschließlich 15 µm und 50 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Aussparungen in Draufsicht auf die Abstrahlseite gesehen in einem sechseckigen oder rechteckigen Raster angeordnet.
Zusätzlich wird ein Abdeckkörper angegeben. Der Abdeckkörper ist für eine Halbleiterlichtquelle ausgestaltet, wie sie im Zusammenhang mit mindestens einer der oben genannten Ausführungsformen angegeben ist. Merkmale der Halbleiterlichtquelle sind daher auch für den Abdeckkörper offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform ist der Abdeckkörper für eine Halbleiterlichtquelle ausgebildet und umfasst einen lichtdurchlässigen Grundkörper und eine Spiegelbeschichtung, wobei der lichtdurchlässige Grundkörper im Querschnitt gesehen eine Vielzahl von Aussparungen mit geneigten Seitenflächen aufweist, wobei die Aussparungen von einer Emissionsseite des lichtdurchlässigen Grundkörpers ausgehen und sich in Richtung von der Emissionsseite weg verengen, und wobei die Spiegelbeschichtung nur auf oberen Bereichen der Aussparungen nahe der Emissionsseite vorgesehen ist, so dass untere Bereiche der Aussparungen, die von der Emissionsseite entfernt sind, frei von der Spiegelbeschichtung sind.
Zusätzlich wird ein Verfahren zur Herstellung des Abdeckkörpers angegeben. Mittels des Verfahrens kann ein Abdeckkörper hergestellt werden, wie er im Zusammenhang mit mindestens einer der oben genannten Ausführungsformen angegeben ist. Merkmale des Verfahrens werden daher auch für den Abdeckkörper offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform dient das Verfahren zur Herstellung eines Abdeckkörpers und umfasst:

Bereitstellen einer lichtdurchlässigen Grundplatte, Ausformen der Aussparungen in die lichtdurchlässige Grundplatte, so dass der lichtdurchlässige Grundkörper entsteht, und
Aufbringen der Spiegelbeschichtung auf die oberen Bereiche der Aussparungen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Aufbringen der Spiegelbeschichtung auf die oberen Bereiche der Aussparungen, vorzugsweise in der genannten Reihenfolge:

- das vollständige Versehen der Aussparungen mit der Spiegelbeschichtung,
- das Aufbringen einer Maskenschicht auf die Spiegelbeschichtung,
- das Ablösen der Spiegelbeschichtung von den unteren Bereichen, und
- das Ablösen der Maskenschicht.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Vielzahl der lichtdurchlässigen Grundkörper und die zugeordnete Spiegelbeschichtung auf Waferebene hergestellt und anschließend in die einzelnen lichtdurchlässigen Grundkörper vereinzelt.
Eine Halbleiterlichtquelle, ein Abdeckkörper und ein hier beschriebenes Verfahren werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Elemente, die in den einzelnen Figuren gleich sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Größenverhältnisse zwischen den einzelnen Elementen sind jedoch nicht maßstabsgetreu dargestellt, sondern einzelne Elemente können zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Es zeigen:

1 und 2 schematische Schnittdarstellung von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen,
3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Abdeckkörpers für hier beschriebene Halbleiterlichtquellen,
4 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Abdeckkörpers für hier beschriebene Halbleiterlichtquellen,
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle,
6 eine schematische Draufsicht auf die Halbleiterlichtquelle von 5,
7 ein schematischer Vergleich der Emissionsmerkmale von Halbleiterlichtquellen,
8 eine schematische Draufsicht auf eine lichtdurchlässige Grundplatte für die hier beschriebenen Abdeckkörper,
9 bis 11 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Abdeckkörpern,
12 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Abdeckkörpers für hier beschriebene Halbleiterlichtquellen,
13 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Abdeckkörpern,
14 und 15 schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Abdeckkörpern für Halbleiterlichtquellen,
16 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle, und
17 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Abdeckkörpers für hier beschriebene Halbleiterlichtquellen.

In den 1 bis 3 sind eine Halbleiterlichtquelle 1 umfassend einen Abdeckkörper 5 sowie der jeweilige Abdeckkörper 5 dargestellt. Zusätzlich zu dem Abdeckkörper 5 umfasst die Halbleiterlichtquelle 1 einen optoelektronischen Halbleiterchip 2, bei dem es sich beispielsweise um einen LED-Chip handelt, der so ausgestaltet ist, dass er blaues Licht als Strahlung R emittiert. Ferner befindet sich zwischen dem optoelektronischen Halbleiterchip 2 und dem Abdeckkörper 5 eine Wellenlängenkonversionseinrichtung 6, die so ausgestaltet ist, dass sie beispielsweise gelbes Licht aus einem Teil der Strahlung R erzeugt, so dass Sekundärstrahlung S emittiert wird.
Der optoelektronische Halbleiterchip 2 kann mit einem zweiten Kleber 62 an der Wellenlängenkonversionseinrichtung 6 befestigt werden, und die Wellenlängenkonversionseinrichtung 6 kann mit einem ersten Kleber 61 an dem Abdeckkörper 5 befestigt werden. Bei den Klebstoffen 61, 62 handelt es sich beispielsweise um Silikonklebstoffe. Wenn die jeweiligen Oberflächen optisch glatt sind, können auch andere Verbindungsverfahren, zum Beispiel Waferbonden, verwendet werden. Auch Hochtemperatur-Bonden ist möglich, zum Beispiel Glasbonden bei niedriger Temperatur oder Cermet-Bonden auf Keramikbasis. Als weitere Option kann der optoelektronische Halbleiterchip 2 einen Rückseitenspiegel 21 und eine Chip-Extraktionsstruktur 22 umfassen.
Der Abdeckkörper 5 umfasst einen transparenten Grundkörper 3 und eine Spiegelbeschichtung 4. Der Grundkörper 3 weist eine Vielzahl von Aussparungen 32 auf, die den Grundkörper 3 von einer Emissionsseite 30 in Richtung hin zur Wellenlängenkonversionseinrichtung 6 vollständig oder nahezu vollständig durchlaufen können. Bei den Aussparungen 32 handelt es sich beispielsweise um Pyramiden. Obere Bereiche 34 des Grundkörpers 3 an der Emissionsseite 30 sind mit der Spiegelbeschichtung 4 versehen, während untere Bereiche 35 an dem optoelektronischen Halbleiterchip 2 frei von der Spiegelbeschichtung 4 sind. In einer Richtung senkrecht zur Emissionsseite erstrecken sich die oberen Bereiche 34 beispielsweise über ein Viertel oder ein Drittel einer Tiefe der Aussparungen 32.
Die Wellenlängenkonversionseinrichtung 6 ist beispielsweise eine Keramikplatte, die mindestens einen Leuchtstoff, wie Ce:YAG, enthält. Somit hat die Wellenlängenkonversionseinrichtung 6, die auch als Leuchtstoffplatte bezeichnet werden kann, einen vergleichsweise hohen Brechungsindex n_p, relativ zum Brechungsindex n₀ der umgebenden Luft. Folglich gibt es einen Grenzwinkel θ_C bezüglich der Totalreflektion an einer dem Abdeckkörper 5 zugewandten Seite der Wellenlängenkonversionseinrichtung 6.
Durch den Abdeckkörper 5 wird ein maximaler Abstrahlwinkel θ_m verringert. Dies wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2 und 3 näher erläutert.
Gemäß der 1 bis 3 bildet der Abdeckkörper 5 eine durchlässige, strukturierte Oberfläche, zum Beispiel in Form einer Pyramide, die an der Oberfläche der Leuchtstoffplatte 6 angebracht ist. Die oberen Bereiche 34 der Strukturierung sind mit der Spiegelbeschichtung 4 versehen, um Strahlen mit großem Winkel zu begrenzen, die andernfalls in die umgebende Luft oder das austretende Medium übertragen würden.
Die 2 und 3 zeigen eine detailliertere Ansicht der Ausgestaltung der Oberflächenstrukturierung. Die Struktur besteht aus dem transparenten Grundkörper 4, der mit den Aussparungen 32 die Form von pyramidenförmigen Strukturen annimmt. Das Material der Oberflächenstruktur kann aus einer Vielzahl von transparenten oder sogar teilweise streuenden, aber verlustfreien Materialien bestehen, wie zum Beispiel Quarzglas, PMMA, Silikon, Gläser oder Keramiken wie undotiertes YAG, Aluminiumoxid und viele andere anorganische und organische transparente oder teilweise streuende Medien. Die Strukturen 3, 32 können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, zum Beispiel durch Prägen oder Gießen, Multilevel- oder Graustufen-Lithographie, Spritzgießen, Laserstrukturierung und andere Techniken. Andere Verfahren zur Herstellung solcher Oberflächenstrukturen 32 können die Herstellung der Strukturen nach dem Aufbringen des Oberflächenstrukturmaterials umfassen. Dies kann das Aufbringen einer dicken Folie, das heißt, einer Folie mit einer Dicke von mindestens 10 µm, aus einem Polymer wie PMMA oder Silikon umfassen, gefolgt von einer Prägung, einer Strukturierung auf Waferebene, zum Beispiel mittels Graustufen- oder Multilevel-Lithographie, oder einer Laserstrukturierung. Bei organischen Materialien kann ein Aushärtungsprozess erforderlich sein.
Die partielle Spiegelbeschichtung 4 kann durch CVD-, ALD- oder andere konforme dielektrische Dünnfilm-Abscheideverfahren aufgebracht werden. Für das Licht innerhalb der Oberflächenstruktur 3, 32 sollte die Spiegelbeschichtung 4 in allen Winkeln bis zum kritischen Winkel θ_C für das aus den Pyramidenoberflächen 3, 32 austretende Licht hoch reflektierend sein. Die Spiegelbeschichtung 4 erstreckt sich nur teilweise über den obersten Bereich der Oberflächenstruktur 3, 32. In zwei Dimensionen entspricht dies der Pyramidenspitze. Die Herstellung der reflektierenden Beschichtungen kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, unter anderem durch teilweises Auffüllen der Struktur 3, 32 mit einem Fotolack oder einem anderen temporären Barrierematerial. Das Barrierematerial kann wiederum mit Hilfe von Soft-Imprint-Techniken, ultravioletter Lithographie, um nur die Talbereiche zu härten, oder anderen Verfahren aufgebracht werden.
Für Wellenlängen im sichtbaren Bereich sind Metall- oder dielektrisch verstärkte Metallbeschichtungen für die Spiegelbeschichtung 4 generell möglich, aber wegen der vergleichsweise hohen erzeugten Verluste nicht bevorzugt. Die starken Lichtrecyclingeffekte der Spiegelbeschichtung 4 verstärken tendenziell die Verluste und schmälern den Vorteil der Richtwirkung. Bei der Verwendung von dielektrischen Dünnfilmen für die Spiegelbeschichtung 4 führt die unvollkommene Reflexion zu einer gewissen Transmission des Lichts durch die Spiegelbeschichtung 4. Dies kann zwar die Winkelleistung etwas verschlechtern, verringert aber nicht die Gesamtwirkung oder den Wirkungsgrad der Halbleiterlichtquelle 1.
Die Funktionsweise des Abdeckkörpers 5 ist am einfachsten in zwei Dimensionen zu verstehen. In 3 wird eine interne Lichtverteilung im Inneren einer zweidimensionalen Pyramide betrachtet. Die Pyramiden haben eine Gesamthöhe h. Die vertikale Ausdehnung der Spiegelbeschichtung 4 von der Spitze der Pyramide aus wird mit h2 bezeichnet. Der Abstand zwischen den Pyramiden wird mit P bezeichnet und durch den vollen Scheitelwinkel 2ϕ aus einfacher Geometrie ermittelt. Die Beziehung ist gegeben durch tan ϕ = P/2h.
Da die Streuung am Halbleiterchip 2, an der Leuchtstoffplatte 6 und die Rückreflexion an der Spiegelbeschichtung 4 dazu führen, dass die spektrale Strahldichteverteilung im Inneren einer gegebenen Pyramide Lambert'sch ist, kann man davon ausgehen, dass das auf eine unbeschichtete Oberfläche der Pyramide auftreffende innen geführte Licht annähernd Lambert'sch ist. Wie in 3 dargestellt, wird nur Licht, das sich innerhalb des kritischen Winkels θ_C für das strukturierte Material zur Luft befindet, aus der Pyramidenoberfläche austreten. Dieses austretende Licht ist ebenfalls annähernd Lambert'sch, das heißt, es hat eine konstante Strahldichte oder Leuchtdichte. Dies bedeutet, dass die Strahlen, die in einem bestimmten kleinen Bereich der Pyramide emittiert werden, ungefähr eine Kosinus-Abhängigkeit von der Lichtstärke oder Strahlungsintensität aufweisen.
Da sowohl die Außenflächen der Spiegelbeschichtung als auch die Pyramidenoberflächen als spiegelnd angenommen werden, kann man beobachten, dass der gestrichelte Strahlengang, der zum Emissionswinkel θ_b in Bezug auf die Flächennormale führt, am größten ist, wenn der Emissionspunkt der rechten Pyramide direkt unter der Spiegelbeschichtung 4 liegt. Licht, das oberhalb dieses Punktes erzeugt wird, wird von der Spiegelbeschichtung 4 in die Pyramide zurückgeworfen. Licht, das unterhalb dieses Punktes erzeugt wird, wird teilweise entweder von der Spiegelbeschichtung 4 oder von unbeschichteten Teilen der Pyramidenoberfläche der Nachbarpyramide reflektiert. Der maximale Abstrahlwinkel θ_b wird also durch den für die Emission bei E dargestellten Strahlengang ermittelt. Der maximale Emissionswinkel für diesen Strahlengang ist θ_a. Alles andere Licht wird direkt in die benachbarte Pyramide zurückgeworfen, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt. Der finale Umfang der von der Struktur ausgehenden Winkelverteilung wird durch das Maximum von θ_a und θ_b bestimmt.
Beschränkt man die Strahlengeometrie auf zwei Dimensionen, so lassen sich einfache Formeln für die maximalen Strahlen in 3 ableiten. Diese Winkel sind gegeben durch $sin θ_{a} = \frac{1}{\sqrt{1 + {(\frac{h_{2}}{2 h tan θ})}^{2}}}$
und θ_b = π/2 - θ_a, wobei der maximale Emissionswinkel θ_em durch θ_em = max (θ_a, θ_b) ermittelt wird.
Ein typisches Verhältnis zwischen der Spiegelhöhe h2 und der Pyramidenhöhe h ist zum Beispiel etwa 0,25. Die Pyramidenhöhe h beträgt zum Beispiel etwa 20 µm und der Winkel ϕ kann etwa 20° betragen.
In 4 ist eine beispielhafte Draufsicht auf die umgedrehte Pyramidenstruktur der Vorrichtung der 1 bis 3 dargestellt. Die pyramidenförmigen Aussparungen 32 sind beispielsweise in einem quadratischen Muster angeordnet. Zwischen den Aussparungen 32 gibt es auf der Emissionsseite 30 praktisch keine ebenen Bereiche, sondern nur die Ränder zwischen benachbarten Aussparungen 32.
In den 5 bis 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dieser Halbleiterlichtquelle 1 haben die Aussparungen 32 die Form von umgekehrten Kegeln. Wahlweise verlaufen die Aussparungen 32 nicht vollständig durch den Grundkörper 3, sondern durchdringen den Grundkörper 3 zu mindestens 60 % und höchstens 85 %. Der Abdeckkörper 5 kann direkt am Halbleiterchip 2 befestigt sein oder es ist ein Kleber vorhanden, nicht dargestellt.
Optional kann der Abdeckkörper 5 ein Wellenlängenkonversionsmaterial 66 enthalten. Somit kann der Abdeckkörper 5 gleichzeitig als Wellenlängenkonverter dienen.
Die kreisförmigen Aussparungen 32 sind zum Beispiel in einem sechseckigen Raster angeordnet. Zwischen benachbarten Aussparungen 32 kann die Abstrahlseite 30 flach sein. Außerdem kann um die Aussparungen 32 herum ein Randbereich der Emissionsseite vorhanden sein, so dass der Randbereich frei von den Aussparungen 32 ist.
In 7 ist dargestellt, dass durch die Abdeckplatte 5 mit den Aussparungen 32 und der Spiegelbeschichtung 4 eine integrierte Ausgangsleistung I bei kleinen Abstrahlwinkeln θ_em gegenüber einem modifizierten Bauteil 9 ohne Aussparungen erhöht werden kann.
Ansonsten gilt das, was für die 1 bis 4 gesagt wurde, auch für die 5 bis 7, und umgekehrt.
Im Zusammenhang mit den 8 bis 12 wird ein Verfahren zur Herstellung des Abdeckkörpers 5 näher erläutert, siehe auch das Blockschaltbild der 13.
In einem ersten Verfahrensschritt M1 wird eine lichtdurchlässige Grundplatte 39 für eine Mehrzahl der lichtdurchlässigen Grundkörper 3 bereitgestellt. Dann werden, siehe Verfahrensschritt M2 und 8, die Aussparungen 32 in der Grundplatte 39 auf Waferebene über eine Mehrzahl der Grundkörper 3 hinweg ausgebildet. Benachbarte Grundkörper 3 können durch Gräben getrennt sein.
Die umgekehrten Kegel wurden zum Beispiel durch laserinduziertes Tiefätzen auf 4"- und 6"-Glaswafern hergestellt. Der Mittenabstand P zwischen benachbarten Kegeln beträgt zum Beispiel 50 µm oder 25 µm und das Verhältnis von Abstand zu Tiefe ist ≤ 1. Die Kegel wurden für jeden Grundkörper 3 hexagonal innerhalb eines 1030 µm × 1030 µm großen Quadrats angeordnet. Somit bildet jedes Quadrat im Wesentlichen einen der Abdeckkörper 5 und entspricht vorzugsweise der Abmessung eines weißen Keramikplättchens 6 oder eines LED-Chips 2. Die Grundkörper 3 können eine große Anordnung auf einem 4"- oder 6"- oder 8"- oder 12"-Wafer bilden, wie in 8 dargestellt. Auf jedem einzelnen Wafer können somit Tausende solcher Bauelemente für die Beschichtung mit einem dielektrischen Reflektor bereitstehen.
Beispielhafte Abmessungen der entstandenen Aussparungen 32 sind in 9 dargestellt. Weiterhin ist in 9 der Verfahrensschritt M3 dargestellt. Das heißt, die Aussparungen 32 und damit die gesamte Oberfläche der Reflektorkörper 3 werden mit der reflektierenden Beschichtung 4 versehen, die ein mehrlagiger dielektrischer Bragg-Reflektor ist, der beispielsweise aus abwechselnden Schichten aus Nb₂O₅ und SiO₂ besteht, die durch Dünnfilm-Abscheidungstechniken, wie Sputtern, aufgebracht werden.
Gemäß 10 wird im Verfahrensschritt M4 eine Maskenschicht 42 verwendet, um die oberen Bereiche 34 der Aussparungen 34 und die übrigen Gebiete der Emissionsseite 30 zu bedecken.
So wird zum Beispiel ein Fotolack gleichmäßig auf die die Kegel 32 bedeckende Spiegelbeschichtung 4 aufgesprüht. Anschließend wird der Fotolack mit Hilfe einer Fotomaske und eines Maskenausrichters mit ultravioletter Strahlung belichtet, so dass nur die unteren Bereiche 35 der Aussparungen 32 freiliegen. Nach der Belichtung wird der ultraviolett belichtete Fotolack mit einem Standard-Fotolackentwickler abgelöst, wobei die Spiegelbeschichtung 4 in den unteren Bereichen 35 für weitere Ätzvorgänge an der Luft offen bleibt. Der verbleibende, nicht belichtete Fotolack 42 verbleibt auf der Oberseite als Maske zum Schutz der Spiegelbeschichtung während des nachfolgenden Ätzvorgangs in Verfahrensschritt M5.
In Verfahrensschritt M6 wird dann die Spiegelbeschichtung 4 geätzt, zum Beispiel mit reaktiven Ionenätzen nutzend CHF₃/Ar/O₂, CH₄F₈/Ar/O₂ oder CF₄/Ar/O₂ in einem nicht gezeigten reaktiven Ionenätzgerät. Die resultierende Strukturierung ist in 11 dargestellt, wobei nur einer der oberen Bereiche 34 gezeigt ist. In 11 ist zu erkennen, dass die Spiegelbeschichtung 4 in der Tat mehrschichtig aufgebaut ist.
Schließlich wird im Verfahrensschritt M7 die Grundplatte 39 gewürfelt, so dass die einzelnen Abdeckkörper 5 entstehen, siehe auch 12. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist in 12 die Spiegelbeschichtung nicht dargestellt.
Optional kann die Grundplatte 39 vor dem Zerteilen auf einen Halbleiterwafer mit einer Vielzahl von Halbleiterchips 2 und/oder auf einen Wafer mit Wellenlängenkonverter aufgebracht werden. So ist es möglich, dass das Zerteilen des Halbleiterwafers und/oder der Wellenlängenkonversionseinrichtung gleichzeitig mit dem Zerteilen der Grundplatte 39 erfolgt.
In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel lässt sich das Verfahren beispielsweise wie folgt zusammenfassen:

Ein Glassubstrat, wie SCHOTT AF32, wurde zunächst mit Nanosekunden- und Femtosekundenlasern an den gewünschten Stellen behandelt. Für ein einzelnes Bauelement mit den Maßen 1,03 mm × 1,03 mm wurden 480 laserbehandelte Stellen verwendet, um -50 um große und ~47 µm tiefe Kegel in hexagonaler Geometrie zu erzeugen. Der Durchmesser und die Tiefe der Kegel wurden durch eine auf Flusssäure basierende Chemie erzeugt, indem die Ätzzeit kontrolliert wurde. Geht man von etwa 5000 solcher einzelnen Bauelemente auf einem einzigen 4"-Wafer aus, so sind vor dem Ätzprozess ~2,4 Millionen laserbehandelte Bereiche erforderlich.

In einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel lässt sich das Verfahren beispielsweise wie folgt zusammenfassen:

1. Ultraschallreinigung der Aussparungen für die umgekehrten Kegel auf einem Glaswafersubstrat, zum Beispiel mit Kegeln von 50 µm Durchmesser;
2. Beschichten der strukturierten Substrate gemäß Punkt 1 mit der Spiegelbeschichtung, die aus einem mehrlagigen Dielektrikum oder einem metallischen Material besteht;
3. Schleuderbeschichtung von positiven Fotolacken wie R1805 oder R1813, zum Beispiel mit 1500 U/min für 90 s;
4. Backen des Wafers bei 115 °C für 90 s;
5. Freilegen des Fotolacks mit einer speziellen Fotomaske, die einen Teil des umgekehrten Kegelmusters auf dem Substrat verdeckt;
6. den freiliegenden Bereich mit Fotolackentwickler wie MF316 90 s lang entwickeln, mit entionisiertem Wasser abspülen und mit N2-Spülung trocknen. Zu diesem Zeitpunkt dient der verbleibende Fotolack als Maske und schützt den oberen Teil der kegelförmigen Aussparungen vor der Ätzchemie;
7. Ätzen der nicht durch Fotolack geschützten Bereiche des Spiegels mit selektiver Chemie, entweder mit der trockenen ICP-RIE-Technik oder durch Nassätzung;
8. den verbleibenden Fotolack durch Aufsprühen von Aceton abstreifen und trocknen;
9. Charakterisierung, zum Beispiel mit einem Rasterelektronenmikroskop, einem Lichtmikroskop, über Transmission oder Farbübergangswinkel, um sicherzustellen, dass die Beschichtung des Spiegels im oberen Bereich der konischen Aussparungen von hoher Qualität ist.

Alternativen wären die Verwendung verschiedener gestapelter Dielektrika oder eines Metallspiegels als Spiegelbeschichtung 4. Der Metallspiegel würde vorzugsweise dielektrische Verstärkungsschichten aufweisen.
Im Vergleich zu einer Abdeckplatte ohne die Aussparungen kann die Anzahl der dielektrischen Schichten der Spiegelbeschichtung beispielsweise auf höchstens 100 Schichten oder auf höchstens 50 Schichten oder auf höchstens 30 Schichten reduziert werden. Andernfalls würde die gerichtete Emission mit gestapelten dielektrischen Schichten ohne strukturierte Oberflächen und Apex-Spiegelbeschichtung die Abscheidung von Hunderten von Schichten und sehr dicken Beschichtungen erfordern.
Ansonsten gilt das, was für die 1 bis 7 gesagt wurde, auch für die 8 bis 13, und umgekehrt.
In 14 ist eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Aussparungen 32 dargestellt. So sind die Aussparungen 32 gemäß 14 pyramidenförmig und in einem sechseckigen Gitter angeordnet.
Ansonsten gilt das, was für die 1 bis 13 gesagt wurde, auch für die 14, und umgekehrt.
Gemäß 15 haben die Aussparungen 32 die Form von Pyramiden mit einem gleichseitigen Dreieck als Grundfläche, und die Aussparungen 32 sind wiederum in einem sechseckigen Gitter angeordnet.
Andernfalls kann das, was für die 1 bis 14 gesagt wurde, auch für 15 gelten, und umgekehrt.
Anders als in den 14 und 15 dargestellt, kann der Abdeckkörper 5 wie in allen anderen Ausführungsbeispielen auch als Wellenlängenkonverter gestaltet sein, wie in 5.
Auf diese Weise kann die strukturierte Oberfläche in eine strukturierte Leuchtstoffplatte umgewandelt werden. Bei Keramiken gibt es verschiedene Verfahren, um die Oberfläche der Leuchtstoffplatte zu strukturieren. Wird die Keramik mit Hilfe von Formgebungsverfahren im Rohzustand hergestellt, wie zum Beispiel Tape-Casting oder Spritzgießen, können Präge- oder Abformtechniken auf die Rohzustandoberfläche angewendet werden. Wenn die Schrumpfung während des Sinterns isotrop ist, wird das Seitenverhältnis der Strukturierung aus dem Grünzustand beibehalten. Die strukturierte Oberfläche kann auch durch Durchkontaktierung direkt in eine ganz oder teilweise gesinterte Keramik eingebracht werden. Solche Verfahren können jedoch zusätzliche Glühschritte erfordern, um lokale Oberflächenschäden durch die Laserbearbeitung zu beseitigen. In beiden Fällen kann die Teilbeschichtung wie bisher erfolgen, oder auch durch Auffüllen der unteren Bereiche 35 mit einem temporären Füllmaterial, das vor dem Aufbringen der Spiegelbeschichtung 4 ausgehärtet werden kann. Nach der Beschichtung wird das Füllmaterial mit geeigneten Lösungsmitteln oder anderen Verfahren, die die reflektierende Beschichtung nicht beschädigen, abgelöst. Das Gleiche kann auch für alle anderen Ausführungsbeispiele gelten.
In einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem die Leuchtstoffplatte aus Leuchtstoffpulver in einer organischen härtbaren Matrix wie Silikon, optischem Epoxid oder Polysiloxanen besteht oder diese umfasst, können Präge- oder Abformprozesse verwendet werden, um die strukturierte Oberfläche direkt in das Matrixmaterial zu formen. In einigen Fällen kann das Leuchtstoffmaterial auch als Pulver in Matrixmaterial auf ein transparentes Substrat beschichtet werden, das bereits die Oberflächenstruktur auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Diese glatte Leuchtstoffseite wird zum Beispiel auf den LED-Chip geklebt. Die Beschichtung mit dem Dielektrikum kann vor dem Aufbringen des Leuchtstoffs, nach dem Aufbringen des Leuchtstoffs oder nach dem Aufkleben der Baugruppe auf den LED-Chip auf die strukturierte Seite aufgebracht werden.
In 16 ist zu sehen, dass die Halbleiterlichtquelle 1 die Anordnung mit dem optoelektronischen Halbleiterchip 2 und dem Abdeckkörper 5 sowie optional die Wellenlängenkonversionseinrichtung 6 umfasst. Außerdem enthält die Halbleiterlichtquelle 1 eine Optik 7, die vereinfacht als Linse dargestellt ist. So kann die Halbleiterlichtquelle 1 beispielsweise ein Projektor sein. Durch die Verwendung des Abdeckkörpers 5 wird ein Abstrahlwinkel des Halbleiterchips 2 und der optionalen Wellenlängenkonversionseinrichtung 6 verringert, so dass die optische Abbildung verbessert werden kann und/oder die Optik 7 kleiner ausgeführt werden kann als ohne den Abdeckkörper 5.
In 17 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Abdeckkörpers 5 dargestellt. In diesem Fall weist der Abdeckkörper 5 eine untere Aussparung 81 auf, die zum Beispiel durch Ätzen erzeugt wird. Die untere Aussparung 81 befindet sich auf einer Seite des Abdeckkörpers 5, die den Aussparungen 32 mit der Spiegelbeschichtung 4 gegenüberliegt. Vorzugsweise ist die genau eine untere Aussparung 81 rundum von einem Rand 82 eingefasst. Die untere Aussparung 81 kann eine konstante Tiefe und der Rand 82 eine konstante Höhe und/oder eine konstante Breite aufweisen. Beispielsweise ist die untere Aussparung 81 quaderförmig und der Rand 82 bildet einen rechteckigen Rahmen um die untere Aussparung 81 herum. Es ist möglich, dass eine Fläche der unteren Aussparung 81 mindestens 70 % oder mindestens 85 % einer Gesamtfläche des Abdeckkörpers 5 beträgt, gesehen in Draufsicht auf die untere Aussparung 81.
Der Abdeckkörper 5 ist beispielsweise auf die in 17 nicht dargestellte Wellenlängenumwandlungseinrichtung 6 so geklebt, dass er an Rändern der Wellenlängenumwandlungseinrichtung 6 oder außerhalb der Wellenlängenumwandlungseinrichtung 6 geklebt ist. So kann durch die untere Aussparung 81 ein Luftspalt zwischen der Wellenlängenumwandlungseinrichtung 6 und dem Abdeckkörper 5 im Bereich der unteren Aussparung 81 erzeugt werden. Durch einen solchen Luftspalt kann der Abstrahlwinkel θ_em weiter verkleinert werden. Beispielsweise beträgt eine Dicke des Luftspalts mindestens 1 um und/oder höchstens 100 µm, beispielsweise zwischen einschließlich 5 µm und 50 µm.
Die in den Figuren dargestellten Komponenten folgen, soweit nicht anders angegeben, beispielsweise in der angegebenen Reihenfolge direkt aufeinander. Komponenten, die in den Figuren nicht in Kontakt stehen, sind beispielsweise voneinander beabstandet. Wenn Linien parallel zueinander gezeichnet sind, können die entsprechenden Flächen parallel zueinander ausgerichtet sein. Ebenso sind die Positionen der gezeichneten Komponenten relativ zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die hier beschriebene Halbleiterlichtquelle und der Abdeckkörper werden durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt. Vielmehr umfassen die Halbleiterlichtquelle und der Abdeckkörper jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, wozu insbesondere jede Merkmalskombination aus den Patentansprüchen gehört, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 17/483,514 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlichtquelle
2: optoelektronischer Halbleiterchip
21: Rückseitenspiegel
22: Chip-Extraktionsstruktur
3: lichtdurchlässiger Grundkörper
30: Emissionsseite des lichtdurchlässigen Grundkörpers
32: Aussparung im lichtdurchlässigen Grundkörper
33: geneigte Seitenfläche der Aussparung
34: oberer Bereich der Aussparung
35: unterer Bereich der Aussparung
39: lichtdurchlässige Grundplatte
4: Spiegelbeschichtung
42: Maskenschicht zur Strukturierung der Spiegelbeschichtung
5: Abdeckkörper
6: Wellenlängenkonversionseinrichtung
61: erster Kleber
62: zweiter Kleber
66: Wellenlängenkonversioinsmaterial
7: Optik
81: untere Aussparung
82: Rand
9: modifizierte Halbleiterlichtquelle
h: Gesamthöhe der Aussparung
h2: Höhe der Spiegelbeschichtung
n: Brechungsindex
I: integrierte Ausgangsleistung
M..: Verfahrensschritt
P: Periodenlänge
R: Strahlung
S: Sekundärstrahlung
θ: Winkel der Strahlung
φ: Halbwinkel der Aussparung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 17483514 [0100]

Claims

Halbleiterlichtquelle (1) mit - einem optoelektronischen Halbleiterchip (2), der dazu eingerichtet ist, Strahlung (R) emittiert, und - einem auf dem optoelektronischen Halbleiterchip (2) aufgebrachten Abdeckkörper (5), wobei der Abdeckkörper (5) einen lichtdurchlässigen Grundkörper (3) aufweist, wobei der lichtdurchlässige Grundkörper (3) eine Vielzahl von Aussparungen (32) mit geneigten Seitenflächen (33) aufweist, die Aussparungen (32) an einer dem optoelektronischen Halbleiterchip (2) abgewandten Emissionsseite (30) des lichtdurchlässigen Grundkörpers (3) beginnen und sich zum optoelektronischen Halbleiterchip (2) hin verjüngen, und wobei auf der Emissionsseite (30) benachbarten oberen Bereichen (34) der Aussparungen (32) eine Spiegelbeschichtung (4) aufgebracht ist und dem optoelektronischen Halbleiterchip (2) nächstgelegene untere Bereiche (35) der Aussparungen (32) frei von der Spiegelbeschichtung (4) sind.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aussparungen (32) pyramidenförmig oder kegelförmig sind.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Höhe (h2) der Spiegelbeschichtung (4) zwischen einschließlich 10 % und 40 % einer Gesamthöhe (h) der Aussparungen (32) beträgt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Gesamthöhe (h) der Aussparungen (32) zwischen einschließlich 5 µm und 50 µm liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Querschnitt gesehen ein Halbwinkel (ϕ) zwischen den geneigten Seitenflächen (33) der Aussparungen zwischen einschließlich 12° und 35° liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Wellenlängenkonversionseinrichtung (6), die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Strahlung (R), für deren Emission der optoelektronische Halbleiterchip (2) eingerichtet ist, in eine Sekundärstrahlung (S) umzuwandeln, wobei die Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) zwischen dem optoelektronischen Halbleiterchip (2) und dem Abdeckkörper (5) angeordnet ist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) eine planparallele Platte ist, und wobei der Abdeckkörper (5) mittels eines ersten Klebers (61), der zwischen dem Abdeckkörper (5) und der Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) angeordnet ist, an der Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) befestigt ist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abdeckkörper (5) auf einer den mehreren Aussparungen (32) gegenüberliegenden und der Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) zugewandten Seite eine untere Aussparung (81) aufweist, die von einem Rand (82) umgeben ist, wobei ein Luftspalt zwischen dem Abdeckkörper (5) und der Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) angeordnet ist, wobei die Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) zumindest teilweise in der unteren Aussparung (81) angeordnet und zumindest teilweise von dem Rand (82) umgeben ist oder der Rand (82) auf einer dem Abdeckkörper (5) zugewandten Seite der Wellenlängenkonversionseinrichtung (6) angebracht ist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abdeckkörper (5) ein Wellenlängenkonversionsmaterial (66) umfasst, das dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Strahlung (R), zu deren Emission der optoelektronische Halbleiterchip (2) eingerichte ist, in eine Sekundärstrahlung (S) umzuwandeln.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiegelbeschichtung (4) ein breitbandig refelektierender dielektrischer Mehrlagenspiegel ist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aussparungen (32) in Draufsicht auf die Abstrahlungsseite (30) gesehen rechteckig, trigonal, hexagonal, elliptisch oder kreisförmig geformt sind.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aussparungen (32) im Querschnitt gesehen symmetrisch geformt sind, wobei die Aussparungen (32) mindestens 50 % des lichtdurchlässigen Grundkörpers (3) durchlaufen, in einer Richtung senkrecht zur Emissionsseite (30).
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emissionsseite (30) außerhalb der Aussparungen (32) eben ist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Draufsicht auf die Emissionsseite (30) gesehen eine Periodenlänge (P) eines Musters der Aussparungen (32) zwischen einschließlich 10 µm und 0,1 mm liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aussparungen (32) in Draufsicht auf die Abstrahlseite (30) gesehen in einem sechseckigen oder rechteckigen Gitter angeordnet sind.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Halbleiterchip (2) eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode ist, die dazu eingerichtet ist, nah-ultraviolette Strahlung oder sichtbares Licht zu emittieren.
Abdeckkörper (5) für eine Halbleiterlichtquelle (1), wobei der Abdeckkörper (5) einen lichtdurchlässigen Grundkörper (3) und eine Spiegelbeschichtung (4) aufweist, wobei der lichtdurchlässige Grundkörper (3) eine Vielzahl von Aussparungen (32) mit geneigten Seitenflächen (33) aufweist, die Aussparungen (32) von einer Abstrahlseite (30) des lichtdurchlässigen Grundkörpers (3) ausgehen und sich in Richtung von der Abstrahlseite (3) weg verjüngen, und wobei die Spiegelbeschichtung (4) nur auf der Abstrahlseite (30) benachbarten oberen Bereichen (34) der Aussparungen (32) anberacht ist, so dass der Abstrahlseite (30) abgewandte untere Bereiche (35) der Aussparungen (32) frei von der Spiegelbeschichtung (4) sind.
Verfahren zur Herstellung des Abdeckkörpers nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer lichtdurchlässigen Grundplatte (39), Formen der Aussparungen (32) in die lichtdurchlässige Grundplatte (39), so dass der lichtdurchlässige Grundkörper (3) entsteht, und Aufbringen der Spiegelbeschichtung (4) auf die oberen Bereiche (34) der Aussparungen (32).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die lichtdurchlässige Grundplatte (39) eine Glasplatte oder eine Kunststoffplatte ist, wobei die Aussparungen (32) durch laserinduziertes Tiefätzen der lichtdurchlässigen Grundplatte (39) gebildet werden, und wobei das Aufbringen der Spiegelbeschichtung (4) auf die oberen Bereiche (34) der Aussparungen (32) in der genannten Reihenfolge umfasst: vollständiges Versehen der Aussparungen (32) mit der Spiegelbeschichtung (4), Aufbringen einer Maskenschicht (42) auf die Spiegelbeschichtung (4), Ablösen der Spiegelbeschichtung (4) von den unteren Bereichen (35), und Ablösen der Maskenschicht (42).
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl der lichtdurchlässigen Grundkörper (3) und die zugeordnete Spiegelbeschichtung (4) auf Waferebene hergestellt werden und anschließend in die einzelnen lichtdurchlässigen Grundkörper (3) zerlegt werden.