JP2021507527A - 変換素子を製造する方法および変換素子 - Google Patents
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Abstract
ここに示されているのは変換素子（２）の製造方法であり、この方法は、開口部（９）を備えたフレームを準備するステップと、少なくとも、少なくとも１つの開口部の側面（９ｃ）に犠牲層（１０）を被着するステップと、犠牲層（１０）に反射層（５）を被着するステップと、少なくとも１つの開口部（９）に、反射層（５）を覆う変換材料（４）を導入するステップと、犠牲層（１０）およびフレーム（８）を除去するステップと、を含む。
Description
ここで示されるのは、変換素子を製造する方法である。さらに変換素子が示される。さらに、オプトエレクトロニクス半導体デバイスを製造する方法およびオプトエレクトロニクス半導体デバイスが示される。
解決すべき課題は、変換素子をコスト的に有利に製造可能な方法を示すことである。解決すべき別の課題は、このような変換素子を示すことである。
ここでは、変換素子を製造する方法が示される。この変換素子は、１次放射を、例えばより波長の長い２次放射に変換するように構成されている。この変換素子にはこのために、例えばルミネセンス変換材料の粒子が含まれている。
少なくとも１つの実施形態によれば、この方法には、開口部を備えたフレームを準備するステップが含まれている。このフレームは、例えば１つ以上の開口部を有していてよい。フレームが、複数の開口部を有する場合には、これらの開口部は、例えばマトリクス状に、行および列に沿って並べられて、一平面内に配置されていてよい。すなわち開口部は、例えば、規則的な格子の格子点に配置されていてよい。
少なくとも１つの開口部は、例えば、矩形、四角形、円形または楕円形を有していてよい。フレームは、例えば少なくとも１つの開口部によって完全に貫通され、すなわち少なくとも１つの開口部により、フレームが打ち抜かれている。
フレームは、例えば硬質材料から形成されている。ここで硬質材料とは、機械的負荷のもとでわずかにしか変形せず、もしくは損傷せず、かつ準備された元の形状を維持する材料のことである。フレームは、例えば、プラスチックによって、もしくはプラスチックから形成されるか、または金属によって、もしくは金属から形成されている。
少なくとも１つの実施形態によれば、この方法には、少なくとも、少なくとも１つの開口部の側面に犠牲層を被着するステップが含まれている。少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面により、フレームのカバー面とその底面とが接続される。少なくとも１つの開口部が、例えば複数の側面を有する場合、これらの側面は、１つの平面内に配置されている。
犠牲層の材料は、例えばフォトレジストから構成されている。ここでは好ましくは、比較的大きな縦横比を有する構造を形成可能なフォトレジストが使用される。これらのフォトレジストを用いることにより、特に、厚さの大きい変換素子を実現することが可能である。例えば、フォトレジストは、例えばＳＵ−８から形成されるネガティブレジストである。
犠牲層の材料は、例えば、少なくとも１つの開口部に充填される。例えばフレームの下面には補助支持体が配置される。
この場合、開口部の底面は、例えば、補助支持体のカバー面によって形成される。この場合、犠牲層の材料の底面およびカバー面は、例えば、フレームの底面およびカバー面と面一になっている。犠牲層の材料は、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面を覆い、例えば、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面と直接かつ介在するものなしに接触する。すなわち、犠牲層の材料は、開口部の少なくとも１つの側面の他に、補助支持体のカバー面を覆いかつこれに直接かつ介在するものなしに接触可能である。少なくとも１つの側面は、例えば犠牲層の材料によって完全に覆われる。
犠牲層の材料は、例えば、少なくとも１つの開口部だけに充填され、これにより、フレームのカバー面には、実質的に犠牲層の材料がない。実質的にないとは、製造公差に起因して、少量の犠牲層の材料が、フレームのカバー面において存在し得ることを意味する。
フレームが複数の開口部を有する場合、これらの開口部も同様に、それぞれ犠牲層の材料によって完全に覆われている複数の側面を有する。
犠牲層の材料の一部分には、例えば、凹部を形成可能である。この凹部は、例えば、犠牲層の材料を除去することによって形成される。材料の除去は、例えば化学エッチングによって行うことが可能である。この凹部は、例えば、犠牲層の材料を完全に貫通し、すなわち、犠牲層の材料は、この場合に完全に除去され、凹部によって打ち抜かれている。すなわち、この凹部は、例えば、補助支持体のカバー面まで形成されており、補助支持体のカバー面には、例えば、犠牲層の材料がない。犠牲層の材料は、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面だけに残存し、犠牲層を形成する。
犠牲層の材料が、例えば、フォトレジストによって構成される場合、このフォトレジストは、フォトリソグラフィによって構造化可能である。例えば化学エッチングにより、フォトレジストが、構造化される箇所において除去され、これにより、フォトレジストの薄い層だけが、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面に残る。この場合、この薄い層は、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面における犠牲層を形成する。
択一的に可能であるのは、犠牲層の材料の薄い層を、少なくとも１つの開口部内に被着することである。この場合、この少なくとも１つの開口部は、例えば部分的にのみ充填される。この場合、例えば、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面および少なくとも１つの底面は、犠牲層の材料の薄膜によって覆われる。犠牲層の材料は、例えば、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面に直接かつ介在するものなしに接触する。例えば、少なくとも１つの開口部の底面に隣接する犠牲層の材料は、例えば、化学エッチングによって除去可能である。この場合、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面の犠牲層の材料だけが残り、犠牲層を形成する。
少なくとも１つの実施形態によれば、この方法には、犠牲層に反射層を被着するステップが含まれている。反射層は、例えば、フレームとは反対側を向いた、犠牲層の外面を覆う。反射層は、例えば、フレームとは反対側を向いた、犠牲層の外面に直接かつ介在するものなしに接触している。さらに、反射層は、例えば、フレームのカバー面と、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの底面とを覆ってよい。すなわち、反射層により、例えば、補助支持体のカバー面が覆われる。反射層を被着した後、補助支持体は、例えば、元のように除去可能である。
反射層は、例えば、金属製の反射層である。すなわち反射層は、金属から成るかまたは金属を含む。反射層は、例えば、フレームの上面からデポジットプロセスを用いて被着可能である。このデポジットは、例えば、以下の方法、すなわちスパッタリング、ＰＶＤ、蒸着のうちの１つを用いて行うことが可能である。
反射層は、例えば、以下の複数の材料、すなわちＡｇ、Ａｌ、Ａｌ：Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＩＴＯのようなＴＣＯ層のうちの１つまたは複数を含むか、またはこれらの材料のうちの１つまたは複数から成る。さらに、反射層は、例えば銀およびケイ素酸化物から成る複数の層を含む誘電体ミラーとして構成することも可能である。反射層の厚さは、例えば、少なくとも１０ｎｍもしくは５０ｎｍ、かつ／または最大で１００ｎｍもしくは５００ｎｍである。有利には、この金属製の反射層は、例えば、シリコーンおよびＴｉＯ２から形成される反射層よりも薄い。
少なくとも１つの実施形態によれば、この方法には、少なくとも１つの開口部に、反射層を覆う変換材料を導入するステップが含まれている。この変換材料により、例えば電磁放射が別の波長領域の電磁放射に変換される。この変換材料には、例えば、蛍光粒子が混入されているマトリクス材料が含まれている。マトリクス材料は、例えば、エポキシのような樹脂、またはシリコーン、またはこれらの材料の混合物であってよい。蛍光粒子により、変換材料に、ひいては変換素子に波長変換特性が付与される。
蛍光粒子には、例えば以下の材料が適している。すなわち、希土類元素がドーピングされたガーネット、希土類元素がドーピングされたアルカリ土類硫化物、希土類元素がドーピングされたチオガリウム酸塩、希土類元素がドーピングされたアルミン酸塩、希土類元素がドーピングされたケイ酸塩、希土類元素がドーピングされたオルトケイ酸塩、希土類元素がドーピングされたクロロケイ酸塩、希土類元素がドーピングされたアルカリ土類窒化ケイ素、希土類元素がドーピングされたオキシニトリド、希土類元素がドーピングされたアルミニウムオキシニトリド、希土類元素がドーピングされた窒化ケイ素、希土類元素がドーピングされたサイアロン、量子ドットが適している。これらの材料は、マトリクス材料なしに使用し、また直接、被着することも可能である。変換素子は、この場合、これらの材料のうちの１つから構成可能である。
変換材料は、少なくとも１つの開口部に導入される。ここでは、変換材料は、流動性の形態をとっている。この場合、変換材料は、被着の後、硬化される。さらに変換材料は、例えばスプレー、スクリーン印刷法またはドクタブレード法を用いて被着可能である。
変換材料は、例えば、少なくとも１つの開口部において反射層を完全に覆う。すなわち、反射層から形成されている、少なくとも１つ開口部の底面は、変換材料によって覆われる。さらに、反射層によって覆われている、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面は変換材料によって覆われる。変換材料は、例えば、直接かつ介在するものなしに反射層に接触している。変換材料の底面およびカバー面は、例えば、反射性材料のカバー面および底面と面一になっている。
少なくとも１つの実施形態によれば、この方法には、犠牲層およびフレームを除去するステップが含まれている。犠牲層およびフレームを除去することにより、少なくとも１つの変換素子が切り離される。このようにして製造される変換素子には、変換素子の少なくとも１つの側面、特に変換素子のすべての側面を完全に覆う反射層が含まれている。変換素子の少なくとも１つの側面により、変換素子のカバー面とその底面とが接続される。次に、この変換素子は、例えば面発光型ビーム発光半導体チップに被着可能である。さらに、ここで説明している方法により、複数の変換素子を製造可能である。
少なくとも１つの実施形態において、変換素子のこの製造方法には、開口部を備えたフレームを準備するステップと、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面に犠牲層を被着するステップと、犠牲層に反射層を被着するステップと、少なくとも１つの開口部に、反射層を覆う変換材料を導入するステップと、犠牲層およびフレームを除去するステップと、が含まれている。
ここで説明している変換素子の製造方法は特に、側面放射を最小化するために、金属製の薄い反射層により、変換素子の側面を包囲するという着想を利用している。
択一的には、ビーム発光半導体チップを埋め込むことも可能な変換素子の側面を、シリコーンおよびＴｉＯ２から形成されている反射層によって包囲することが可能である。高い反射率が得られるようにするためには、この反射層の厚さは、２００μｍよりも大きくなくてはならない。この厚さにより、マトリクス状の配置、すなわち行および列に沿って並べた配置におけるビーム発光デバイスの間隔が限定される。
ここで説明している変換素子を製造する方法およびオプトエレクトロニクス半導体デバイスの製造方法の一着想は、特に、シリコーンおよびＴｉＯ２から形成されている反射層を、金属製の薄い反射層によって置き換えることである。例えばこのようにして製造されるオプトエレクトロニクス半導体デバイスには、例えばボリューム発光型フリップチップを使用することができ、結果的に得られるオプトエレクトロニクス半導体デバイスは面発光型である。例えば、少なくとも５ｎｍかつ最大で５０ｎｍの厚さを有する反射性の薄い金属層により、このオプトエレクトロニクス半導体デバイスは、例えば、反射層がＴｉＯ２粒子を含むシリコーンから形成される、例えばＣＳＰ（Chip Scale Package）よりも小さく寸法設計される。ＣＳＰでは、ケーシングは、使用する半導体デバイスチップのサイズオーダである。金属層は、有利には、例えばフラッシュマトリクス装置、例えばピクセル化されたＬＥＤチップを有するフラッシュライトに使用される。さらに金属層は、有利には、アダプティブフロント照明システムに、例えば自動車のヘッドランプに使用される。さらに、金属製の反射層により、隣接するオプトエレクトロニクス半導体デバイス間の光学的クロストークが最小化される。さらにオプトエレクトロニクス半導体デバイスは、バッチプロセスで製造可能であり、結果的にプロセスコストが少なくなる。
少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの開口部の側面は、傾斜部を有する。少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの斜めの側面は、フレームのカバー面に対して斜めに延在している。少なくとも１つの斜めの側面は、例えば、フレームのカバー面と鋭角を成している。さらに、少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの斜めの側面は、平坦に構成されている。少なくとも１つの開口部が複数の側面を有する場合、例えばこれらも同様に傾斜部を有する。例えば、互いに向き合う少なくとも２つの側面が、傾斜部を有していてよい。さらに、互いに隣り合う少なくとも２つの側面が、傾斜部を有していてよい。
このようにして製造される変換素子は、例えば、底面の方向に広がる形状を有することできる。すなわち、変換素子のカバー面の横方向の断面積は、この変換素子の底面の横方向の断面積よりも小さい。この形状により、例えば、集束された光放射特性を実現可能である。
択一的には、変換素子が、変換素子のカバー面の方向に広がる形状を有することが可能である。すなわち、変換素子のカバー面の横方向の断面積は、この変換素子の底面の断面積よりも大きい。この形状により、例えば、光出力結合を増大させることが可能である。
少なくとも１つの開口部の少なくとも１つの側面に被着される犠牲層は、この場合、同様に傾斜部を有する。すなわち、被着される犠牲層も同様に、フレームのカバー面に対して斜めに延在しており、かつフレームのカバー面と鋭角を成している。
さらに、犠牲層に被着される反射層も同様に傾斜部を有する。すなわち、被着された反射層も同様に、フレームのカバー面に対して斜めに延在しており、かつフレームのカバー面と鋭角を成している。
さらに、本発明ではオプトエレクトロニクス半導体デバイスを製造する方法が示される。
少なくとも１つの実施形態によれば、この方法には、変換素子を製造する上で説明した方法が含まれている。
少なくとも１つの実施形態によれば、この方法には、変換素子の導入の前に、ビーム発光半導体チップを少なくとも１つの開口部に挿入するステップが含まれている。ビーム発光半導体チップは、例えば、いわゆるボリュームエミッタであってよい。ボリューム発光型ビーム発光半導体チップは、例えば半導体基体がエピタキシャル成長されるかまたは被着される基板を有する。この基板は、以下の材料、すなわちサファイア、炭化ケイ素、またはガラスを有するか、またはこれらの材料から構成することが可能である。ボリューム発光型ビーム発光半導体チップは、形成したビームをただ１つの光放出面を介して送出するのではなく、その複数の側面も介して送出する。例えば、ボリュームエミッタでは、放射ビームの少なくとも３０％が、側面を通って放出される。例えば、このビーム発光半導体チップは、フリップチップとして実施されている発光ダイオードチップであってよい。
ビーム発光半導体チップは、例えば、半導体基体の底面にコンタクト要素を有し、このコンタクト要素は、例えば、ビーム発光半導体チップの電気的な接触接続のために設けられている。半導体基体のカバー面には、例えば、コンタクト要素はない。半導体基体の底面と、カバー面とは、垂直方向に見て平行に延在しており、垂直方向に対して直角に延在している。
フレームは、例えば、少なくとも１つのビーム発光半導体チップを挿入する前に、別の補助支持体に配置される。この別の補助支持体には、例えば、上面に、接着力を形成するシートが含まれていてよい。この場合、少なくとも１つの開口部の底面は、例えば、この補助支持体のカバーによって形成される。少なくとも１つのビーム発光半導体チップは、例えば、少なくとも１つの開口部の中央に挿入される。例えばシートと、少なくとも１つのビーム発光半導体チップとの間で形成される接着力により、これらの２つの構成要素間の接着が行われる。すなわち、ビーム発光半導体チップは、補助支持体と接合されており、ずれることはない。ここでは、例えば半導体基体の底面は、反射層の底面と面一になっている。さらに、反射層は、半導体基体の上面を垂直方向に突き出ている。
この場合、フレームにより、少なくとも１つのビーム発光半導体チップが側方に包囲される。特に、フレームは、少なくとも１つのビーム発光半導体チップを横方向に完全に取り囲んでいてよい。
少なくとも１つの実施形態によれば、導入される変換材料は、ビーム発光半導体チップを部分的に包囲する。変換材料のカバー面および底面はそれぞれ、例えば、反射層のカバー面および底面と面一になっている。変換材料は、例えば、半導体基体のカバー面および半導体基体の側面を完全に覆う。ここでは変換材料は、半導体チップのカバー面および側面に、ならびに反射層の少なくとも１つの側面に直接かつ介在するものなしに接触している。すなわち、例えば、ボリューム発光型半導体チップを使用する場合、動作時に放射されて、半導体基体の側面および半導体基体の底面から出射する電磁１次放射は、２次放射に変換される。反射層により、半導体基体の側面から出射される電磁１次放射および２次放射は、再度、反射され、再び変換材料に入射する。ここでは、残りの１次放射が再び変換される。さらに、１次放射および２次放射は、反射層により、例えば半導体基体のカバー面の方向に偏向される。これにより、有利には、光出力結合が増大する。
さらに、本発明では変換素子が示される。この変換素子は有利には、ここで前に説明した、変換素子を製造する方法によって製造される。すなわち、ここで説明している変換素子は、ここで説明した方法によって製造可能であるか、または説明した方法によって製造される。したがって変換素子を製造する方法に関連して開示したすべての特徴は、変換素子にも関連して開示されており、またその逆も成り立つ。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換素子には変換材料が含まれている。この変換材料により、例えば電磁放射が、別の波長領域の電磁放射に変換される。この変換材料には、例えば、蛍光粒子が混入されているマトリクス材料が含まれている。マトリクス材料は、例えば、エポキシのような樹脂、またはシリコーン、またはこれらの材料の混合物であってよい。蛍光粒子により、変換材料に、ひいては変換素子に波長変換特性が付与される。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換材料には反射層が含まれている。反射層は、例えば、金属製の反射層である。すなわち反射層は、金属から成るかまたは金属を含む。反射層は、例えば、以下の複数の材料、すなわちＡｇ、Ａｌ、Ａｌ：Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＩＴＯのようなＴＣＯ層のうちの１つまたは複数を含むか、またはこれらの材料のうちの１つまたは複数から成る。さらに、反射層は、例えば銀およびケイ素酸化物から成る複数の層を含む誘電体ミラーとして構成することも可能である。反射層の厚さは、例えば、少なくとも１０ｎｍもしくは２０ｎｍもしくは３０ｎｍｎｍ、かつ／または最大で１００ｎｍもしくは２００ｎｍもしくは５００ｎｍである。
少なくとも１つの実施形態によれば、反射層は、変換材料の側面と直接、接触している。すなわち、変換材料側を向いた、反射層の側面は、変換材料の少なくとも１つの側面に直接かつ介在するものなしに接触する。有利には、電磁放射および変換された電磁放射は、変換材料と反射層との境界面において直接、反射して変換材料に戻り、残りの電磁放射は再度、変換可能である。この直接の接触により、例えば、変換材料と反射層との間の層に配置されている層における散乱によって発生する損失が回避される。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換材料とは反対側を向いた、反射層の外面は、変換素子の露出した外面を形成する。これにより、変換材料と反射層とからなるこの配置構成によって変換素子が形成される。 さらに、変換材料とは反対側を向いた、反射層の外面は、自由にアクセス可能である。有利には、このような変換素子は、特に容易に取り扱い可能である。
少なくとも１つの実施形態によれば、反射層は、変換材料の少なくとも１つの側面を完全に覆う。すなわち、例えば、変換材料のカバー面は、反射層のカバー面と面一になっており、変換材料の底面は、反射層の底面と面一になっている。すなわち、電磁放射および変換された電磁放射は、変換素子の側面全体で反射される。
少なくとも１つの実施形態によれば、反射層は、一定の厚さを有する。反射層の厚さは、例えば、互いに反対側にある、反射層の２つの面間の横方向の間隔である。横方向のこの間隔は、垂直方向における種々異なる位置について一定である。例えば、反射層の厚さは、製造公差の範囲において実質的に同じである。ここで実質的に同じとは、製造公差に起因する小さな凹凸は、例えば、反射層の厚さの変化になり得るということである。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換材料は、変換素子の底面またはカバー面の方向に広がる形状を有する。変換材料が、例えば、底面の方向に広がる形状を有する場合、この変換材料のカバー面の横方向の断面積は、この変換材料の底面の横方向の断面積よりも小さい。この形状により、例えば、集束された光放射特性を実現可能である。
変換材料が、変換素子のカバー面の方向に広がる形状を有する場合、この変換材料のカバー面の横方向の断面積は、この変換材料の底面の断面積よりも大きい。この形状により、例えば、光出力結合を増大させることが可能である。
さらに、本発明ではオプトエレクトロニクス半導体デバイスが示される。好適には、このオプトエレクトロニクス半導体デバイスは、ここで前に説明した、オプトエレクトロニクス半導体デバイスを製造する方法によって製造される。すなわち、ここで説明しているオプトエレクトロニクス半導体デバイスは、ここで説明した方法によって製造可能であるか、または説明した方法によって製造される。したがってオプトエレクトロニクス半導体デバイスの製造方法に関連して開示したすべての特徴は、オプトエレクトロニクス半導体デバイスにも関連して開示されており、またこの逆も成り立つ。
少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス半導体デバイスには、ここで説明した変換素子が含まれている。すなわち、変換素子に関連して開示したすべての特徴は、したがってオプトエレクトロニクス半導体デバイスにも関連して開示されており、またこの逆も成り立つ。
少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス半導体デバイスには、ビーム発光半導体チップが含まれている。ビーム発光半導体チップは、例えば、いわゆるボリュームエミッタであってよい。ボリューム発光型ビーム発光半導体チップは、例えば半導体基体がエピタキシャル成長されるかまたは被着される基板を有する。ボリューム発光型ビーム発光半導体チップは、形成したビームをただ１つの光放出面を介して送出するのではなく、その複数の側面も介して送出する。例えば、ボリュームエミッタでは、放射ビームの少なくとも３０％が、側面を通って放出される。例えば、ビーム発光半導体チップは、フリップチップとして実施されている発光ダイオードチップであってよい。
少なくとも１つの実施形態によれば、ビーム発光半導体チップは、変換素子に埋め込まれている。ここで、埋め込まれているとは、ビーム発光半導体チップが、部分的に変換素子内に配置されており、かつ／またはその外面の少なくとも一部分が、変換素子によって取り囲まれていることを意味する。ここでは、ビーム発光半導体チップは、例えば、直接かつ介在するものなしに変換素子に接触している。すなわち、変換素子の材料は、部分的に直接、半導体チップに隣り合っている。
少なくとも１つの実施形態によれば、ビーム発光半導体チップには、電磁１次放射を形成するように構成されている半導体基体が含まれている。半導体基体は、例えば、エピタキシャル成長された半導体基体である。半導体基体は、ＩＩＩ−Ｖ族−化合物半導体材料ベースであってよい。この半導体基体には、量子井戸構造または多重量子井戸構造を含む活性領域が含まれている。この活性領域は、ここでは電磁１次放射を形成するように構成されている。
少なくとも１つの実施形態によれば、ビーム発光半導体チップの下面にコンタクト要素が配置されている。コンタクト要素は、ここでは、半導体基体に通電するために構成されている。コンタクト要素は、例えば、金属を有するかまたは金属から構成される。コンタクト要素のカバー面は、例えば、変換素子の底面と面一になっている。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換材料は、半導体基体の側面を覆っている。すなわち、変換材料は、例えば、半導体基体の断面積を横方向に突き出ている。すなわち、ビーム発光半導体チップが、例えばボリュームエミッタである場合、有利には、オプトエレクトロニクスデバイスの動作時に放射されかつ半導体基体の少なくとも１つの側面を通って出射する１次放射も変換される。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換材料は、半導体基体のカバー面を覆っている。変換材料は、半導体基体のカバー面を垂直方向に突き出ている。すなわち、オプトエレクトロニクス半導体デバイスの動作時に放射されかつ半導体基体のカバー面から出射する１次放射が変換される。
さらに、変換材料の底面は、例えば、半導体基体の底面と面一になっている。すなわち、コンタクトの側面は、変換材料によって覆われていない。さらに、半導体基体の底面にも、例えば変換材料がない。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換材料は、半導体基体の少なくとも１つの側面およびカバー面に直接、接触している。すなわち、反射層とは反対側を向いた、変換材料の側面は、例えば、半導体基体の少なくとも１つの側面に直接かつ介在するものなしに接触しており、変換材料の他方の側面は、反射層側を向いており、反射層を完全に覆っている。さらに、変換材料は、例えば、直接かつ介在するものなしに半導体基体のカバー面に接触している。
少なくとも１つの実施形態によれば、反射層は、電磁１次放射の一部を反射するように構成されている。反射層は、例えば、金属製の反射層である。すなわち反射層は、金属から成るかまたは金属を含む。
さらに、反射層は、高屈折材料と低屈折材料が交互に配置された複数の層から成るブラッグミラーであってよい。この場合、反射層は、例えば電気絶縁性に構成されている。
さらに、反射層は、ブラッグミラーと金属層との組み合わせであってよい。
ここでは、反射層は、活性領域で形成された電磁１次放射に対して、好適には少なくとも９０％の反射率を有する。
以下では、複数の実施例およびこれに関係する図面に基づいて、変換素子の製造方法およびここで説明している変換素子を詳しく説明する。
同じ、同種の、または同じ作用の要素には、複数の図面において同じ参照符号が付されている。図面およびこれらの図に示した要素相互の大きさの比は、縮尺通りとみなしてならない。むしろ、よりよく描画するために、かつ／またはよりよく理解できるようにするために個々の要素は、誇張して大きく表現されていることがある。
図１Ａ〜１Ｇに関連して示されているのは、ここで説明している変換素子２についての製造方法の実施例である。
図１Ａによれば、最初の方法ステップにおいて、複数の開口部９を有するフレーム８を準備する。ここでは開口部９は、フレーム８を完全に貫通し、かつマトリクス状に、すなわち行および列に沿って並べられて、一平面内に配置されている。すなわち開口部９は、例えば、規則的な格子の格子点に配置されていてよい。フレームの下面は、例えば、補助支持体１１の上面に配置可能である。
図１Ｂによれば、次の方法ステップにおいて、開口部９に犠牲層の材料１００が充填される。ここでは、犠牲層の材料１００は、例えばフォトレジストである。犠牲層の材料のカバー面１００ａは、ここでは、フレームのカバー面８ａと面一になっている。すなわち、開口部９全体が、犠牲層の材料１００で充填されている。犠牲層の材料１００はここでは、フレームの側面８ｃに直接かつ介在するものなしに接触している。
図１Ｃによれば、次のステップにおいて、犠牲層１０に複数の凹部１２を形成する。材料の除去はここでは、例えば、犠牲層の材料１００のカバー面のフォトリソグラフィおよび化学エッチングによって行われる。凹部１２は、ここでは、犠牲層の材料１００を完全に貫通している。犠牲層の残りの材料１００は、ここでは、フレームの側面８ｃを完全に覆い、かつこれに直接かつ介在するものなしに接触している。すなわち、犠牲層の材料１００は、犠牲層１０に相当する。
図１Ｄによれば、次の方法ステップにおいて、デポジットプロセスを用いて、例えばスパッタリングを用いて、フレームのカバー面８ａと、犠牲層のカバー層と、犠牲層の側面１０ｃとに反射層５を被着する。このデポジットプロセスにより、補助支持体の底面１１ｂも反射層５によって覆われる。補助支持体１１は、このステップの後、例えば除去可能である。
図１Ｅには、図１Ｄによる方法ステップの後のフレームの下面が示されている。ここでは、フレームの下面の補助支持体１１が取り除かれている。開口部９側を向いたフレームの側面８ｃは、ここでは、例えば、犠牲層１０によって完全に覆われている。さらに、犠牲層の側面１０ｃは、開口部９側を向いた面が、反射層５によって完全に覆われている。犠牲層１０は、ここでは、開口部９側を向いている、フレームの側面８ｃに直接かつ介在するものなしに接触している。さらに、開口部９とは反対側を向いた、反射層の側面５ｃは、開口部９側を向いた、犠牲層の側面１０ｃと直接かつ介在するものなしに接触している。フレームの底面８ｂと、犠牲層の底面１０ｂと、反射層の底面５ｂとは、例えば面一になっている。
図１Ｆによれば、次の方法ステップにおいて、変換材料４が開口部９に導入される。ここでは、フレームの下面に別の補助支持体１３を配置可能である。すなわち、変換材料４は、開口部９を完全に充填し、かつ開口部の底面および開口部の側面９ｃを完全に覆っている。変換材料のカバー面４ａは、ここでは、反射層のカバー面５ａと面一になっている。
図１Ｇによれば、次の方法ステップにおいて、犠牲層１０およびフレーム８を除去する。犠牲層１０は、例えば化学エッチングによって除去可能である。これにより、個別化された変換素子２が結果的に得られる。
図２に関連して示されているのは、ここで説明しているオプトエレクトロニクス半導体デバイス１の製造方法に対する一実施例についての一方法ステップである。
図２によれば、図１Ｆによる変換材料４の導入の前にそれぞれ１つのビーム発光半導体チップ３を開口部に挿入する。この場合、フレーム８は、ビーム発光半導体チップ３をフレーム状に包囲する。すなわちフレーム８は、オプトエレクトロニクス半導体チップ３を完全に取り囲んでいる。
フレーム８は、例えばビーム発光半導体チップ３を挿入する前に、別の補助支持体１３に配置される。別の補助支持体１３は、例えば上面に、接着力を形成するシートを含んでいてよい。次に、例えば、開口部９の中央にビーム発光半導体チップ３を挿入する。例えばシートと、ビーム発光半導体チップ３との間で形成される接着力により、これらの２つの構成要素間の接着が行われる。すなわち、ビーム発光半導体チップ３は、別の補助支持体１３に接合されており、ずれることがない。
次の方法ステップは、図１Ｆおよび１Ｇにしたがって説明した方法ステップと同様である。
図３の概略断面図には、ここで説明しているオプトエレクトロニクス半導体デバイス１の一実施例が示されている。
オプトエレクトロニクス半導体デバイス１には、例えば、少なくとも１つの反射層５と、変換材料４と、半導体基体６およびコンタクト要素７からなるビーム発光半導体チップ３とが含まれている。変換材料のカバー面４ａおよび底面４ｂは、反射層のそれぞれ１つのカバー面５ａおよび底面５ｂと例えば面一になっている。ここではビーム発光半導体チップ３は、変換材料４に埋め込まれている。すなわち、半導体基体のカバー面６ａは、変換材料４によって覆われている。同様に、半導体基体の側面６ｃも変換材料４によって完全に覆われている。変換材料の底面４ｂは、ここでは半導体基体の底面６ｂと面一になっている。さらにコンタクト要素のカバー７ａは、変換材料の底面４ｂと面一になっている。
反射層５とは反対側を向いた、変換材料４の側面は、ここでは、半導体基体の少なくとも１つの側面６ｃと直接かつ介在するものなしに接触しており、変換材料４の他方の側面は、反射層５側を向いておりかつこれを完全に覆っている。さらに、変換材料４は、例えば、半導体基体のカバー面６ａに直接かつ介在するものなしに接触している。反射層５は、さらに一定の厚さを有する。さらに、反射層５は、垂直方向に、半導体基体の側面６ｃに対して平行に延在している。
図４の概略図には、ここで説明している変換素子２の一実施例が示されている。
変換素子２には、例えば変換材料４および反射層５が含まれている。反射層５は、ここでは変換材料の側面４ｃを完全に包囲している。変換材料のカバー面４ａは、反射層のカバー面５ａと面一になっている。さらに、変換材料の底面４ｂは、ここでは反射層の底面５ｂと面一になっている。反射層５と変換材料４とは、ここでは、直接かつ介在するものなしに接触している。さらに、反射層５は、垂直方向に、変換素子２のカバー面および底面に対して垂直に延在している。
図５の概略断面図は、ここで説明しているオプトエレクトロニクス半導体デバイスの一実施例を示している。
ここに示したオプトエレクトロニクス半導体デバイス１は、図３に示した実施例と同じ特性を有する。さらに反射層５の複数の外面は、傾斜部を有する。これらの外面はここでは平行に延在していない。反射層５のこれらの斜めの外面は、半導体基体のカバー面６ａに対して斜めに延在している。これらの斜めの外面は、ここでは、例えば、半導体基体のカバー面６ａと鋭角を成している。ここでも反射層５は一定の厚さを有する。というのは複数の斜めの外面は平行に延在しているからである。
オプトエレクトロニクス半導体デバイス１は、オプトエレクトロニクス半導体デバイスのカバー面１ａの方向に広がる形状を有する。すなわち、オプトエレクトロニクス半導体デバイスのカバー面１ａの横方向の断面積は、オプトエレクトロニクス半導体デバイスの底面１ｂの断面積よりも大きい。
図６Ａおよび６Ｂの概略図には、ここで説明している変換素子２の一実施例が示されている。ここに示した変換素子２は、図４に示した実施例と同じ特性を有する。
図６Ａに示した変換素子２は、変換素子のカバー面２ａの方向に広がる形状を有する。すなわち、変換素子のカバー面２ａの横方向の断面積は、変換素子の底面２ｂの断面積よりも大きい。この形状により、改善された光出力結合を実現可能である。
図６Ｂに示した変換素子２は、変換素子の底面２ｂの方向に広がる形状を有する。すなわち変換素子の底面２ｂの横方向の断面積は、変換素子のカバー面２ａの断面積よりも大きい。この形状により、集束された光放射特性を実現可能である。
図７の概略断面図には、ここで説明しているオプトエレクトロニクス半導体デバイスの一実施例が示されている。
図３の実施例と異なり、半導体材料の底面４ｂは、この実施例において、反射層の底面５ｂおよび半導体基体の底面６ｂのそれぞれと面一になっていない。むしろ変換材料の底面４ｂには、別の反射層１４が配置されている。この別の反射層１４は、反射層の底面５ｂおよび半導体基体の底面６と面一になっている。この別の反射層１４は、ここでは、例えばマトリクス材料、例えばシリコーンから形成されており、このマトリクス材料には、光を反射する粒子、例えばチタン酸化物粒子が充填されている。
この別の反射層１４を用いることにより、半導体基体の側面６ｃから底面４ｂ、５ｂおよび６ｂの方向に出射する電磁１次放射は、再び反射されて、再度、変換材料４に入射する。ここで、残りの１次放射が再度、変換される。さらに、１次放射および２次放射が、別の反射層１４により、例えば、半導体基体のカバー面６ａの方向に偏向される。これにより、有利には光出力結合が増大する。
この特許出願は、ドイツ国特許出願公開第１０２０１７１３０５７４．２号明細書の優先権を主張するものであり、その開示内容は、引用によってここに取り込まれるものとする。
本発明は、実施例に基づく説明には限定されない。むしろ本発明には、任意の新たな特徴的構成、ならびに特に特許請求の範囲における複数の特徴的構成の任意の組み合わせを含む、特徴的構成の任意の組み合わせが含まれており、このことは、この特徴的構成またはこの組み合わせそれ自体が、特許請求の範囲または実施例に明示的に示されていない場合であってもあてはまるものである。
１ オプトエレクトロニクス半導体デバイス
１ａ オプトエレクトロニクス半導体デバイスのカバー面
１ｂ オプトエレクトロニクス半導体デバイスの底面
２ 変換素子
２ａ 変換素子のカバー面
２ｂ 変換素子の底面
３ ビーム発光半導体チップ
４ 変換材料
４ａ 変換材料のカバー面
４ｂ 変換材料の底面
４ｃ 変換材料の側面
５ 反射層
５ａ 反射層のカバー面
５ｂ 反射層の底面
５ｃ 反射層の側面
６ 半導体基体
６ａ 半導体基体のカバー面
６ｂ 半導体基体の底面
６ｃ 半導体基体の側面
７ コンタクト要素
７ａ コンタクト要素のカバー面
８ フレーム
８ａ フレームのカバー面
８ｂ フレームの底面
８ｃ フレームの側面
９ 開口部
９ｃ 開口部の側面
１０ 犠牲層
１０ｂ 犠牲層の底面
１０ｃ 犠牲層の側面
１００ 犠牲層の材料
１００ａ 犠牲層の材料のカバー面
１１ 補助支持体
１１ｂ 補助支持体の底面
１２ 凹部
１３ 別の補助支持体
１４ 別の反射層
１ａ オプトエレクトロニクス半導体デバイスのカバー面
１ｂ オプトエレクトロニクス半導体デバイスの底面
２ 変換素子
２ａ 変換素子のカバー面
２ｂ 変換素子の底面
３ ビーム発光半導体チップ
４ 変換材料
４ａ 変換材料のカバー面
４ｂ 変換材料の底面
４ｃ 変換材料の側面
５ 反射層
５ａ 反射層のカバー面
５ｂ 反射層の底面
５ｃ 反射層の側面
６ 半導体基体
６ａ 半導体基体のカバー面
６ｂ 半導体基体の底面
６ｃ 半導体基体の側面
７ コンタクト要素
７ａ コンタクト要素のカバー面
８ フレーム
８ａ フレームのカバー面
８ｂ フレームの底面
８ｃ フレームの側面
９ 開口部
９ｃ 開口部の側面
１０ 犠牲層
１０ｂ 犠牲層の底面
１０ｃ 犠牲層の側面
１００ 犠牲層の材料
１００ａ 犠牲層の材料のカバー面
１１ 補助支持体
１１ｂ 補助支持体の底面
１２ 凹部
１３ 別の補助支持体
１４ 別の反射層
Claims (14)
- 変換素子（２）の製造方法であって、前記製造方法は、
開口部（９）を備えたフレーム（８）を準備するステップと、
少なくとも、少なくとも１つの前記開口部の側面（９ｃ）に犠牲層（１０）を被着するステップと、
前記犠牲層（１０）に反射層（５）を被着するステップと、
少なくとも１つの前記開口部（９）に、前記反射層（５）を覆う変換材料（４）を導入するステップと、
前記犠牲層（１０）および前記フレーム（８）を除去するステップと、を含み、前記反射層（５）は、前記変換材料の底面（４ｂ）およびカバー面（４ａ）と面一になっている、変換素子（２）の製造方法。 - 少なくとも１つの前記開口部（９）の前記側面は、傾斜部を有する、請求項１記載の方法。
- オプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）を製造する方法であって、
請求項１または２記載の変換素子（２）の製造方法を実施し、
前記変換材料（４）の前記導入の前に、ビーム発光半導体チップ（３）を少なくとも１つ前記開口部（９）に挿入する、オプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）を製造する方法。 - 導入される前記変換材料（４）は、前記ビーム発光半導体チップ（３）を部分的に包囲する、請求項３記載の方法。
- 変換素子（２）であって、前記変換素子（２）は、
変換材料（４）と、
反射層（５）と、を有しており、
前記反射層（５）は、前記変換材料の前記側面（４ｃ）と直接、接触しており、
前記変換材料（４）とは反対側を向いた、前記反射層（５）の外面は、前記変換素子（２）の露出した外面を形成する、変換素子（２）。 - 前記反射層（５）は、前記変換材料の少なくとも１つの前記側面（４ｃ）を完全に覆う、請求項５記載の変換素子（２）。
- 前記反射層（５）は、一定の厚さを有する、請求項５または６記載の変換素子（２）。
- 前記変換材料（４）は、前記変換素子の底面（４ｂ）またはカバー面（４ａ）の方向に広がる形状を有する、請求項５から７までのいずれか１項記載の変換素子（２）。
- オプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）であって、前記オプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）は、
請求項５から８までのいずれか１項記載の変換素子（２）と、
ビーム発光半導体チップ（３）とを有しており、
前記ビーム発光半導体チップ（３）は前記変換素子（４）に埋め込まれており、
前記ビーム発光半導体チップ（３）には、電磁１次放射を形成するように構成されている半導体基体（６）が含まれており、
前記ビーム発光半導体チップ（３）の下面にコンタクト要素（７）が配置されている、オプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）。 - 前記変換材料（４）が、前記半導体基体の側面（６ｃ）を覆っている、請求項９記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）。
- 前記変換材料（４）が、前記半導体基体のカバー面（６ａ）を覆っている、請求項９または１０記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）。
- 前記変換材料（４）が、前記半導体基体の少なくとも１つの前記側面（６ｃ）および前記カバー面（６ａ）に直接、接触している、請求項９から１１までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）。
- 前記反射層（５）が、前記電磁１次放射の一部を反射するように構成されている、請求項９から１２までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１）。
- ビーム発光半導体チップに載置可能な変換素子（２）を製造する方法であって、前記方法は、
開口部（９）を備えたフレーム（８）を準備するステップと、
少なくとも、少なくとも１つの前記開口部の側面（９ｃ）に犠牲層（１０）を被着するステップと、
前記犠牲層（１０）に反射層（５）を被着するステップと、
少なくとも１つの前記開口部（９）に、前記反射層（５）を覆う変換材料（４）を導入するステップと、
前記犠牲層（１０）および前記フレーム（８）を除去するステップと、を含む、ビーム発光半導体チップに載置可能な変換素子（２）を製造する方法。
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