WO2011151156A1 - Wellenlängenkonversionselement, optoelektronisches bauelement mit einem wellenlängenkonversionselement und verfahren zur herstellung eines wellenlängenkonversionselements - Google Patents

Wellenlängenkonversionselement, optoelektronisches bauelement mit einem wellenlängenkonversionselement und verfahren zur herstellung eines wellenlängenkonversionselements Download PDF

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wavelength conversion
conversion element
recess
semiconductor chip
light
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Stephan Preuss
Hans-Christoph Gallmeier
Günter Spath
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L2933/0041—Processes relating to semiconductor body packages relating to wavelength conversion elements

Definitions

  • Wavelength conversion element optoelectronic component with a wavelength conversion element and method for producing a wavelength conversion element
  • Wavelength conversion element and a method for
  • LEDs Light-emitting diodes
  • a narrow wavelength range which usually produces a monochrome light impression.
  • an LED is usually followed by dyes, which partially emit the light emitted by the LED in light with another
  • the dyes may, for example, together with a
  • Potting material over an already mounted and electrically connected LED can be arranged. It is also known to prefabricate directly on a LED chip
  • Such a dye plate usually has dimensions corresponding to the dimensions of the top of the LED, and is formed two-dimensional and flat.
  • such a dye plate has a Edge length that corresponds to the edge length of the top of the LED chip.
  • Dye plate is usually by means of a
  • Adhesive layer attached to the chips wherein the adhesive layer typically has a thickness of a few micrometers.
  • Dye plate can therefore be a monochrome
  • At least one object of some embodiments is to provide a wavelength conversion element that can avoid some of the aforementioned disadvantages.
  • a wavelength conversion element according to a
  • the matrix material is
  • the wavelength conversion element mi as a planar layer be executed the main extension plane.
  • the depression can protrude into the layer, so that the
  • Wavelength conversion element in the region of the depression has a smaller thickness perpendicular to the main extension plane than in the region of at least partially the recess
  • the wavelength conversion element is designed to be self-supporting.
  • self-supporting means here and below that the wavelength conversion element can be produced or produced independently of a semiconductor chip onto which the wavelength conversion element can be applied, and maintains and retains its shape independently of the semiconductor chip.
  • the wavelength conversion element described here differs from known casting methods and those produced by such methods
  • dye-containing encapsulants which are first formed by applying over a semiconductor chip and adapted to the shape of the semiconductor chip.
  • Wavelength conversion element with the recess and the edge at least partially encircling the recess
  • compression molding compression molding
  • the material to be formed in the case of
  • Wavelength conversion element the matrix material with the embedded in the matrix material wavelength conversion material, inserted into a mold, which is a negative mold of the
  • compression molding can have the advantage that there is little or preferably even no material throw.
  • Uneven distribution of the wavelength conversion material in the matrix material can be achieved. Compared to other methods such as screen printing can continue to advantage by the separation process described below and the separation techniques described in this context, a better edge quality can be achieved. In addition, by molding compared to others
  • Wavelength conversion elements can be produced with any thicknesses.
  • the wavelength conversion element can be formed in one piece.
  • This may in particular mean that the matrix material is layered with the recess and the edge therefore at least partially encircling edge is formed such that the peripheral edge is made together with a recess having the layer in one piece, as for example by means of the aforementioned method is possible ,
  • Forming a coherent composite of a plurality of wavelength conversion elements are made. This may in particular mean that, for example, a
  • Layered plate can be produced with a main plane of extension by means of the three-dimensional forming process having a plurality of wells, wherein each of the plurality of wells corresponds to a recess for a single wavelength conversion element. There are webs between the recesses, along which a singling is carried out after the three-dimensional forming process, so that parts of the webs after singulation the
  • Wavelength conversion elements can be isolated.
  • the singling can be done, for example, by breaking, scribing, sawing, cut-off, laser cutting and / or Water jet cutting or a combination of these methods done.
  • the wavelength conversion substance may be suitable, in particular, to at least partially absorb light primarily generated by a semiconductor chip, hereinafter also called primary radiation, and to at least partially absorb it as secondary radiation with one at least partially different from the primary radiation
  • Wavelength range to emit The primary radiation and the secondary radiation may comprise one or more wavelengths and / or wavelength ranges in an infrared to ultraviolet wavelength range, in particular in a visible wavelength range. It can do that
  • Secondary radiation be narrowband, that is, that the primary radiation and / or the secondary radiation a
  • the spectrum of the primary radiation and / or the spectrum of the secondary radiation may alternatively also be broadband, that is to say the primary radiation
  • Wavelength range wherein the mixed-color wavelength range may have a continuous spectrum or a plurality of discrete spectral components with different wavelengths.
  • the mixed-color wavelength range may have a continuous spectrum or a plurality of discrete spectral components with different wavelengths.
  • Primary radiation a wavelength range from a
  • Wavelength range can have. Particularly preferred may be the primary radiation and the secondary radiation
  • the primary radiation preferably has a blue color Illuminating impression and the secondary radiation a yellow-colored light impression, which can be caused by spectral components of the secondary radiation in the yellow wavelength range and / or spectral components in the green and red wavelength range.
  • the secondary radiation preferably has a blue color Illuminating impression and the secondary radiation a yellow-colored light impression, which can be caused by spectral components of the secondary radiation in the yellow wavelength range and / or spectral components in the green and red wavelength range.
  • Wavelength conversion element completely convert the primary radiation into secondary radiation, which in this case can also speak of a so-called full conversion.
  • the wavelength conversion substance may comprise one or more of the following materials: rare earth and alkaline earth metal garnets, for example YAG: Ce 3+, nitrides, nitridosilicates, sions, sialones,
  • Aluminates, oxides, halophosphates, orthosilicates, sulfides, vanadates and chlorosilicates are aluminates, oxides, halophosphates, orthosilicates, sulfides, vanadates and chlorosilicates. Furthermore, the
  • Wavelength conversion material additionally or alternatively comprise an organic material selected from a group
  • Wavelength conversion element may be suitable as embedded in the matrix material wavelength conversion substance
  • the matrix material may surround or contain the wavelength conversion substance or be chemically bonded to the wavelength conversion substance.
  • the wavelength conversion substance may particularly preferably be distributed homogeneously in the matrix material.
  • Wavelength conversion substance may, for example, be shaped in the form of particles which may have a size of less than or equal to 100 ⁇ m and preferably of greater than or equal to 2 and less than or equal to 30 ⁇ m. Furthermore, the wavelength conversion element as
  • Matrix material comprise a transparent matrix material in which the wavelength conversion materials is embedded.
  • the transparent matrix material can be, for example, glasses, in particular a moldable glass, siloxanes, epoxides,
  • Matrix material include or be an epoxy resin, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polyacrylate, polyurethane or a silicone resin such as polysiloxane or mixtures thereof.
  • the matrix material contains a silicone resin or is made of silicone. With advantage silicone can be due to its thermoplastic
  • this can be the peripheral edge forming
  • Matrix material contain a part of the wavelength conversion substance. In other words, the
  • Wavelength conversion element so in the recess having layer and in the recess at least partially circumferential edge may be included.
  • the circumferential edge can further surround the recess entirely. This may mean that the perimeter is one contiguous frame forming the depression along the main plane of extension of the
  • Surrounding wavelength conversion element layer surrounds all sides.
  • the wavelength conversion element can be a
  • Wavelength conversion element can protrude.
  • Recess may be executed in the form of a hole, a hole or an opening.
  • the recess can be arranged within the peripheral edge, so that the recess through the layer of the
  • Wavelength conversion element protrudes in the region of the depression. Furthermore, it may also be possible that the recess is in the region of the peripheral edge, so that a part of the edge may be missing due to the recess and the edge is interrupted by the recess.
  • the wavelength conversion element may have a quadrangular shape, wherein the recess is arranged in the region of a corner of the wavelength conversion element and in the region of the edge, so that this edge is missing in the peripheral edge.
  • a recess may be suitable, by the
  • Wavelength conversion element through a semiconductor chip to contact.
  • An optoelectronic component in particular comprises a wavelength conversion element according to one or more of the aforementioned embodiments.
  • the optoelectronic component has a light-emitting semiconductor chip on which the
  • Wavelength conversion element is arranged. It points the semiconductor chip has an upper side which forms at least part of a light output surface of the semiconductor chip. The top is in the recess of the
  • Wavelength conversion element arranged, wherein the
  • Wavelength conversion element is arranged a connection layer, which is located entirely within the recess.
  • the connection layer may have a thickness that is smaller than a depth of the recess of the wavelength conversion element, and thus smaller than a height of the edge from a bottom surface of the recess. In other words, it may be possible that the
  • Connecting layer does not protrude from the recess.
  • the wavelength conversion element On an upper side facing away from the semiconductor chip, the wavelength conversion element has an outer surface which extends along the main extension plane of the
  • Wavelength conversion element runs and their
  • Wavelength conversion element has an inner surface opposite the outer surface along the
  • Main extension plane that corresponds substantially to the dimensions of the top of the semiconductor chip. This may mean, in particular, that the dimensions,
  • edge lengths the inner surface by not more than 10%, preferably not more than 5% and more preferably not more than 4% greater than corresponding dimensions of the top of the semiconductor chip may be.
  • the depression can be adapted in terms of its shape to the shape of the upper side of the semiconductor chip. This may in particular mean that the top of the
  • Semiconductor chips has a three-dimensional convex shape and the recess has a three-dimensional concave shape
  • Semiconductor chip can thus be mounted on its top substantially fit on the recess so that
  • a gap occurs between the edge of the wavelength conversion element and at least one side surface of the semiconductor chip adjacent to the upper side within the depression which is not greater than 10%, preferably not greater than 5% and particularly preferably not greater than 4%
  • the semiconductor chip can, for example, a rectangular or square top side at its top and therefore be formed in the region of the upper side cuboid or frusto-conical or truncated pyramid.
  • the semiconductor chip may have side surfaces in the area of the top side
  • the light-emitting semiconductor chip can be used, for example, as a light-emitting diode with one on an arsenide,
  • Phosphide and / or nitride compound semiconductor material system based semiconductor layer sequence to be carried out with an active, light-generating region.
  • the optoelectronic component with the semiconductor chip and the wavelength conversion element can continue
  • lead frame a lead frame
  • the semiconductor chip may have a light-generating region which is in the recess of the
  • Wavelength conversion element is arranged. This may mean, in particular, that the edge of the wavelength conversion element that at least partially surrounds the recess has a height such that it adjoins the semiconductor chip after the wavelength conversion element has been applied
  • Wavelength conversion element is coupled and there can be at least partially converted by the embedded in the edge wavelength conversion substance.
  • the wavelength conversion element may have a recess as described above, which over the
  • Top side of the semiconductor chip may be arranged, and in which a contact region of the semiconductor chip is arranged. In other words, through the recess a
  • Wire bonding such as a bonding contact
  • the optoelectronic component may further comprise a bonding wire, which is connected through the recess with the contact region of the semiconductor chip.
  • the contact region can be in an edge region of the top or in a distance from the edge
  • the recess in an edge region ie in particular in the region of the circumferential Edge, or may be arranged in a central region within the recess of the wavelength conversion element.
  • the recess can for example by means of
  • the recess for example, after the
  • Producing a wavelength conversion element or a composite of a plurality of wavelength conversion elements are formed by laser ablation.
  • a plurality of wavelength conversion elements can be connected by means of and
  • the same three-dimensional molding process can be produced, in which case then the recess separately depending on the semiconductor chip used in the
  • Wavelength conversion element can be introduced.
  • connection layer may contain silicone, whereby the connection layer may have a high radiation stability with respect to the primary radiation generated by the semiconductor chip as well as required optical properties such as transparency.
  • wavelength conversion element described here and the optoelectronic component described here with the wavelength conversion element on a semiconductor chip can advantageously be used, for example, in automotive,
  • wavelength conversion element described here and the optoelectronic component described here are particularly suitable for
  • FIGS. 1A to 1D are schematic representations of a method for producing a wavelength conversion element according to an embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of a
  • Wavelength conversion element according to another
  • FIGS 3 and 4 are schematic representations of
  • FIGS. 1A to 1D show a method for producing a wavelength conversion element 1 according to FIG.
  • FIG. 1B corresponds to a section along the sectional plane BB in FIG. 1A.
  • the representation of FIG. 1D corresponds to one
  • Wavelength conversion element 1 is by means of a
  • Embodiment molding is a matrix material having a wavelength conversion substance embedded therein formed into a composite 4 shown in Figs. 1A and 1B.
  • the matrix material is shown in FIG. 1
  • Embodiment silicone which is particularly good for
  • wavelength conversion substance may be one or more of the wavelength conversion substance mentioned above in the general part.
  • the choice of the wavelength conversion substance may be one or more of the wavelength conversion substance mentioned above in the general part.
  • the composite 4 can produce self-sustaining.
  • the composite 4 has a layered configuration with a
  • Main extension plane 9 along which the recesses 10 are arranged in the embodiment shown side by side in a regular, matrix-like arrangement.
  • the depressions 10 extend into the composite 4 forming layer of the matrix material and the therein
  • the composite 4 has, purely by way of example, a thickness of approximately 0.16 mm in the regions of the webs 12 and a thickness of approximately 0.11 mm in the regions of the depressions 10, so that the depressions each have a depth of 0.05 mm perpendicular to
  • Each of the depressions 10 has a square design, wherein the shape of the depressions 10 is shown purely by way of example and depends on which shape has a semiconductor chip on which a completed wavelength conversion element 1 is to be arranged.
  • each of the recesses has an edge length of about 1.04 mm, with the corners of the recesses rounded at a respective radius of 0.01 mm, thereby facilitating the moldability by the three-dimensional molding process.
  • mutually adjacent recesses 10 have along the main extension plane 9 a width of 0.215 mm, so that corresponding edges of directly adjacent to each other
  • Wells 10 are 1.255 mm apart.
  • the composite 4 is singulated in regions along the webs 12 between the depressions 10. This can
  • IC and 1D is a
  • Wavelength conversion element 1 the matrix material with the embedded in the matrix material wavelength conversion material, wherein the matrix material as a layer with the
  • Main extension plane 9 is formed and perpendicular to the main extension plane 9 in the
  • Wavelength conversion element 1 projecting recess 10 has. Due to the separation of the composite 4 along the webs 12, the wavelength conversion element 1 now has an edge 11 which along the plane of extent 9, the recess 10 at least partially and in the shown
  • Wavelength conversion element 1 produced, the the
  • Wavelength conversion substance by embedding in the
  • wavelength conversion element forming layer and in particular in the recess 10 surrounding edge 11 has.
  • Main extension plane 9 is to be understood as an example. As well as in connection with the
  • the recess is preferably adapted in terms of its shape to the shape of an upper side of a semiconductor chip, on which the wavelength conversion element 1 is applied. If such a semiconductor chip, for example, oblique
  • Side surfaces in the form of so-called oblique mesa edges also preferably has a suitable wavelength conversion element 1 a trapezoidal, tapering down into the recess in cross section perpendicular to the main extension plane 9.
  • a suitable wavelength conversion element 1 a trapezoidal, tapering down into the recess in cross section perpendicular to the main extension plane 9.
  • Figure 2 is an embodiment of a
  • Wavelength conversion element 1 according to the previous
  • Embodiment has.
  • Wavelength conversion element 1 is arranged on an upper side 20 of a light-emitting semiconductor chip 2.
  • the light-emitting semiconductor chip 2 has a substrate 21 on which a semiconductor layer sequence with a light-generating region 23 is applied. Im shown
  • the semiconductor chip 2 is a so-called thin-film semiconductor chip with a carrier substrate
  • a thin-film semiconductor chip is characterized in particular by one or more of the following characteristic features:
  • Main surface of the radiation-generating epitaxial layer sequence is applied or formed a reflective layer that at least a portion of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence in this
  • the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 5 to 10 ⁇ m;
  • the epitaxial layer sequence contains at least one
  • epitaxial epitaxial layer sequence i. it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • a basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is described, for example, in I. Schnitzer et al. , Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18 October 1993, 2174 - 2176, the
  • the semiconductor layer sequence 22 has in the shown
  • Embodiment a thickness of about 6 ym.
  • Semiconductor layer sequence 22 and in particular the light-generating region 23 are based on the one generated
  • Compound semiconductor material system and are formed so that the semiconductor chip 2 in operation blue light as
  • the wavelength conversion element 1 comprises a wavelength conversion substance which forms part of the blue light of the semiconductor chip 2 in FIG.
  • the semiconductor chip 2 and / or the wavelength conversion element 1 can also generate or convert light with other or different colors.
  • the top 20 forms at least a part of
  • the wavelength conversion element 1 is arranged on the upper side 20 of the semiconductor chip 2 in such a way that the upper side 20 is located within the depression 10 and is surrounded laterally, ie along the main extension plane of the wavelength conversion element 1, by the edge 11 of the wavelength conversion element 1 encircling the depression 10. Between the top 20 and the
  • Wavelength conversion element 1 a compound layer 3 of silicone is applied in the recess 10, which connects the wavelength conversion element 1 with the semiconductor chip 2.
  • the bonding layer 3 is applied to the upper side 20 by means of jets and has a thickness of a few micrometers.
  • known dye layers which can typically be produced by screen printing, can only be produced in the form of planar layers that do not have a three-dimensional structuring in the form of a depression 10, such as here have described wavelength conversion element 1.
  • wavelength conversion element 1 Compared to such known planar, layered
  • Dye layer is applied, has the
  • Semiconductor chips 2 are. The dimensions of the recess 10 and in particular of the outer surface opposite
  • the inner surface and the peripheral edge 11, however, are adapted to the upper side 20 of the semiconductor chip 2, which has a three-dimensional convex shape, shown
  • Embodiment a cubic shape, while the recess 10 has a corresponding concave shape.
  • Wavelength conversion element 1 to fit with the
  • Top of the semiconductor chip 2 is made so that between the wavelength conversion element 1 and the
  • Semiconductor chip 2 occur only gaps that are not greater than about 10%, preferably not greater than about 5% and more preferably not greater than 4% of the dimensions of the top of the semiconductor chip 2.
  • the connecting layer 3 is arranged entirely in the recess 10, which means in other words that the thickness of the connecting layer 3 is less than the depth of the
  • connection layer 3 is completely covered by wavelength conversion element 1 on all sides, apart from the side with which the connection layer 3 is arranged on the upper side 20 of the semiconductor chip 2.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of an optoelectronic component 6, which in contrast to the previous exemplary embodiment
  • the depression 10 may also include the entire semiconductor layer sequence 22 and, for example, also still a part of the
  • Wavelength conversion element 1 can be coupled out of the optoelectronic component 6.
  • a radiation of unconverted light for large angles of emission relative to a normal to the upper side 20 of the semiconductor chip 2 can be avoided without requiring other measures, such as a mirroring of the side surfaces of the semiconductor chip 2.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an optoelectronic component 7, which in comparison to the sectional representations of FIGS.
  • the wavelength conversion element 1 can be designed, for example, according to one of the previous embodiments.
  • the semiconductor chip 2 has in the region of a corner of the Top 20 a contact portion 29 which is for wire bonding, for example by means of a bonding wire (not shown), provided to electrically connect the top 20 of the semiconductor chip 2.
  • the wavelength conversion element 1 has in the region of the contact region 29 a recess 19 in which the
  • Embodiment formed in the region of the peripheral edge 11 so that it does not surround the recess 10 entirely.
  • the contact region 29 can also be arranged on the semiconductor chip such that the corresponding recess 19 of the wavelength conversion element 1 is arranged within the depression 10, so that the recess 19 is also completely surrounded by the edge 11.
  • the recess 19 may, for example, after the completion of the
  • Wavelength conversion element 1 in the method shown in Figures 1A and 1B for example, be produced by laser ablation.
  • the depression 19 for one or more of the wavelength conversion elements can also already be introduced in the composite 4 prior to the separation of the composite 4 into individual wavelength conversion elements 1.

Abstract

Es wird ein Wellenlängenkonversionselement (1) mit einem Matrixmaterial und einem im Matrixmaterial eingebetteten Wellenlängenkonversionsstoff angegeben, wobei das Matrixmaterial schichtförmig mit einer Haupterstreckungsebene (9) ausgebildet ist und eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene (9) in das Wellenlängenkonversionselement (1) ragende Vertiefung (10) aufweist, die von einem entlang der Haupterstreckungsebene (9) zumindest teilweise umlaufenden Rand (11) umgeben ist, wobei das Wellenlängenkonversionselement (1) selbsttragend ist. Weiterhin werden ein optoelektronisches Bauelement mit einem Wellenlängenkonversionselement auf einem Licht emittierenden Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonversionselements angegeben.

Description

Beschreibung
Wellenlängenkonversionselement, optoelektronisches Bauelement mit einem Wellenlängenkonversionselement und Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonversionselements
Es werden ein Wellenlängenkonversionselement, ein
optoelektronisches Bauelement mit einem
Wellenlängenkonversionselement und ein Verfahren zur
Herstellung eines Wellenlängenkonversionselements angegeben.
Licht emittierende Dioden (LEDs) erzeugen Licht in einem schmalen Wellenlängenbereich, durch den üblicherweise ein einfarbiger Leuchteindruck entsteht. Um einen mehr- oder mischfarbigen Leuchteindruck zu erhalten, werden einer LED üblicherweise Farbstoffe nachgeordnet, die das von der LED abgestrahlte Licht teilweise in Licht mit einer anderen
Wellenlänge konvertieren. Durch die Überlagerung des
konvertierten Lichts mit dem primär von der LED abgestrahlten Licht kann somit ein breiteres Wellenlängenspektrum erhalten werden, das den mehr- oder mischfarbigen Leuchteindruck erwecken kann.
Die Farbstoffe können beispielsweise zusammen mit einem
Vergussmaterial über einer bereits montierten und elektrisch angeschlossenen LED angeordnet werden. Es ist auch bekannt, direkt auf einem LED-Chip ein vorgefertigtes
Farbstoffplättchen mit den Farbstoffen anzuordnen. Da die Hauptabstrahlfläche einer LED durch ihre Oberseite gebildet wird, hat ein derartiges Farbstoffplättchen üblicherweise Abmessungen, die den Abmessungen der Oberseite der LED entsprechen, und ist zweidimensional und flach ausgebildet. Insbesondere hat ein solches Farbstoffplättchen eine Kantenlänge, die der Kantenlänge der Oberseite des LED-Chips entspricht. Derartige Farbstoffplättchen können
beispielsweise mittels Siebdruck herstellbar sein, durch das nur ebene Plättchen produziert werden können. Das
Farbstoffplättchen wird üblicherweise mittels einer
Klebeschicht auf den Chips befestigt, wobei die Klebeschicht typischerweise eine Dicke von einigen Mikrometern aufweist. Bei der Verwendung derartiger Farbstoffplättchen wurde festgestellt, dass an den Seitenrändern der Klebeschicht die vom LED-Chip primär emittierte Strahlung ausgekoppelt werden kann, ohne das dem LED-Chip nachgeordnete Farbstoffplättchen zu durchqueren und von diesem teilweise konvertiert zu werden. Weiterhin kann bei bekannten LEDs auch beobachtet werden, dass auch an den Seitenrändern der LED-Chips Licht aus dem aktiven, Licht erzeugenden Bereich ausgekoppelt werden kann. In der räumliche Abstrahlcharakteristik solcher konventioneller LED-Chips mit nachgeordnetem
Farbstoffplättchen kann man daher einen einfarbigen
Randbereich beobachten, der durch die beschriebenen
seitlichen Auskopplungen des primär im LED-Chip erzeugten
Lichts entsteht und der das eigentlich gewünschte Mischlicht, das durch das Farbstoffplättchen hervorgerufen wird, deutlich erkennbar umgeben kann. Unter relativ zur normalen hohen Abstrahlwinkeln sinkt damit bei konventionellen LED-Chips mit Farbstoffplättchen die Mischlichtqualität dramatisch ab.
Zur Umgehung dieses Problems können beispielsweise die
Seitenflächen des LED-Chips mit einem lichtundurchlässigen und bevorzugt reflektierenden Material bedeckt werden, sodass über die LED-Seitenflächen kein Licht mehr direkt abgestrahlt werden kann. Jedoch sind dafür zusätzliche Prozessschritte in der Herstellung solcher LEDs erforderlich, was deren
Herstellungsaufwand und Herstellungskosten erhöht. Weiterhin kann durch eine derartige Abdeckung oder Verspiegelung auf den LED-Seitenflächen auch die Auskopplung von primär in der LED erzeugtem Licht über die Seitenflächen der Klebeschicht zwischen dem LED-Chip und dem Farbstoffplättchen nicht verhindert werden.
Zumindest eine Aufgabe von einigen Ausführungsformen i ein Wellenlängenkonversionselement anzugeben, das zumi einige der vorab genannten Nachteile vermeiden kann. E weitere Aufgabe von zumindest einigen Ausführungsforme es, ein optoelektronisches Bauelement mit einem
Wellenlängenkonversionselement anzugeben. Noch eine we
Aufgabe von zumindest einigen Ausführungsformen ist es
Verfahren zur Herstellung eines
Wellenlängenkonversionselements anzugeben .
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände und ein Verfahren mi den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der
Gegenstände und des Verfahrens sind in den abhängigen
Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein Wellenlängenkonversionselement gemäß einer
Ausführungsform umfasst insbesondere ein Matrixmaterial und einen im Matrixmaterial eingebetteten
Wellenlängenkonversionsstoff. Das Matrixmaterial ist
schichtförmig mit einer Haupterstreckungsebene ausgebildet und weist eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene in das Wellenlängenkonversionselement ragende Vertiefung auf, die von einem entlang der Haupterstreckungsebene zumindest teilweise umlaufenden Rand umgeben ist. Mit anderen Worten kann das Wellenlängenkonversionselement als ebene Schicht mi der Haupterstreckungsebene ausgeführt sein. Die Vertiefung kann in die Schicht hineinragen, sodass das
Wellenlängenkonversionselement im Bereich der Vertiefung eine geringere Dicke senkrecht zur Haupterstreckungsebene aufweist als im Bereich des zumindest teilweise die Vertiefung
umlaufenden Randes.
Das Wellenlängenkonversionselement ist dabei selbsttragend ausgeführt. Selbsttragend heißt dabei hier und im Folgenden, dass das Wellenlängenkonversionselement unabhängig von einem Halbleiterchip herstellbar ist oder hergestellt wird, auf den das Wellenlängenkonversionselement aufgebracht werden kann, und unabhängig vom Halbleiterchip seine Form erhält und behält. Dadurch unterscheidet sich das hier beschriebene Wellenlängenkonversionselement von bekannten Vergussmethoden und von mittels derartiger Methoden hergestellten
farbstoffhaltigen Vergüssen, die erst durch das Aufbringen über einem Halbleiterchip ausgeformt und an die Form des Halbleiterchips angepasst werden.
Im Vergleich zu bekannten zweidimensionalen, d. h. flachen, Farbstoffplättchen weist das hier beschriebene
Wellenlängenkonversionselement mit der Vertiefung und dem die Vertiefung zumindest teilweise umlaufenden Rand eine
dreidimensionale Struktur auf.
Ein Verfahren zur Herstellung eines
Wellenlängenkonversionselements gemäß einer Ausführungsform erfolgt insbesondere mittels eines dreidimensionalen
Formprozesses. Durch einen solchen dreidimensionalen
Formprozess ist es möglich, das selbsttragende
Wellenlängenkonversionselement schichtförmig mit der
Vertiefung und dem die Vertiefung zumindest teilweise umlaufenden Rand herzustellen. Im Gegensatz zu
konventionellen beispielsweise mittels Siebdruck
hergestellten zweidimensionalen und flachen
Farbstoffplättchen ist es mittels des hier beschriebenen Verfahrens somit möglich, durch den dreidimensionalen
Formprozess ein Wellenlängenkonversionselement herzustellen, das eine Vertiefung und somit eine dreidimensionale Struktur und Form aufweist.
Insbesondere kann der dreidimensionale Formprozess mit
Vorteil Formpressen ( "compression molding") sein. Dabei wird das zu formende Material, im Falle des
Wellenlängenkonversionselements das Matrixmaterial mit dem im Matrixmaterial eingebetteten Wellenlängenkonversionsstoff, in ein Formwerkzeug eingelegt, das eine Negativform des
herzustellenden Wellenlängenkonversionselements aufweist. Durch Einwirkung von Wärme und/oder Druck wird das zu
formende Material in die gewünschte Form für das
Wellenlängenkonversionselement gebracht .
Alternativ zum oben beschriebenen Formpressen kann der dreidimensionale Formprozess beispielsweise auch mittels Spritzguss oder Spritzpressen durchführbar sein. Insbesondere kann Formpressen den Vorteil aufweisen, dass es kaum oder bevorzugt sogar keinen Materialverwurf gibt.
Weiterhin kann beim Formpressen etwa im Vergleich zu
Siebdruckverfahren eine geringere Farbortstreuung,
beispielsweise durch eine unerwünschte inhomogene und
ungleichmäßige Verteilung des Wellenlängenkonversionsstoffs im Matrixmaterial, erreicht werden. Im Vergleich zu anderen Verfahren wie etwa Siebdrucken kann weiterhin mit Vorteil durch das weiter unten beschriebene Vereinzelungsverfahren und die in diesem Zusammenhang beschriebenen Trenntechniken eine bessere Kantenqualität erreicht werden. Darüber hinaus sind durch das Formpressen im Vergleich zu anderen
Herstellungsmethoden Wellenlängenkonversionselemente mit beliebigen Dicken herstellbar.
Besonders bevorzugt kann das Wellenlängenkonversionselement einstückig ausgebildet sein. Das kann insbesondere bedeuten, dass das Matrixmaterial schichtförmig mit der Vertiefung und dem darum zumindest teilweise umlaufenden Rand derart ausgebildet ist, dass der umlaufende Rand zusammen mit einer die Vertiefung aufweisenden Schicht in einem Stück gefertigt wird, wie dies beispielsweise mittels des vorab genannten Verfahrens möglich ist.
Besonders bevorzugt kann mittels des dreidimensionalen
Formprozesses ein zusammenhängender Verbund einer Mehrzahl von Wellenlängenkonversionselementen hergestellt werden. Das kann insbesondere bedeuten, dass beispielsweise eine
schichtförmige Platte mit einer Haupterstreckungsebene mittels des dreidimensionalen Formprozesses herstellbar ist, die eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, wobei jede der Vielzahl von Vertiefungen einer Vertiefung für ein einzelnes Wellenlängenkonversionselement entspricht. Zwischen den Vertiefungen sind Stege vorhanden, entlang derer nach dem dreidimensionalen Formprozess eine Vereinzelung durchgeführt wird, sodass Teile der Stege nach dem Vereinzeln den
zumindest teilweise um die Vertiefung umlaufenden Rand bilden, wodurch der Verbund in eine Mehrzahl von
Wellenlängenkonversionselemente vereinzelt werden kann. Die Vereinzelung kann beispielsweise mittels Brechen, Ritzen, Sägen, Trennschleifen, Lasertrennen und/oder Wasserstrahlschneiden oder einer Kombination dieser Verfahren erfolgen .
Der Wellenlängenkonversionsstoff kann insbesondere geeignet sein, primär von einem Halbleiterchip erzeugtes Licht, im Folgenden auch Primärstrahlung genannt, zumindest teilweise zu absorbieren und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen
Wellenlängenbereich zu emittieren. Die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung können eine oder mehrere Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche in einem infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich umfassen, insbesondere in einem sichtbaren Wellenlängenbereich. Dabei können das
Spektrum der Primärstrahlung und/oder das Spektrum der
Sekundärstrahlung schmalbandig sein, das heißt, dass die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung einen
einfarbigen oder annähernd einfarbigen Wellenlängenbereich aufweisen können. Das Spektrum der Primärstrahlung und/oder das Spektrum der Sekundärstrahlung kann alternativ auch breitbandig sein, das heißt, dass die Primärstrahlung
und/oder die Sekundärstrahlung einen mischfarbigen
Wellenlängenbereich aufweisen kann, wobei der mischfarbige Wellenlängenbereich ein kontinuierliches Spektrum oder mehrere diskrete spektrale Komponenten mit verschiedenen Wellenlängen aufweisen kann. Beispielsweise kann die
Primärstrahlung einen Wellenlängenbereich aus einem
ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich aufweisen, während die elektromagnetische Sekundärstrahlung einen
Wellenlängenbereich aus einem blauen bis infraroten
Wellenlängenbereich aufweisen kann. Besonders bevorzugt können die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung
überlagert einen weißfarbigen Leuchteindruck erwecken. Dazu kann die Primärstrahlung vorzugsweise einen blaufarbigen Leuchteindruck erwecken und die Sekundärstrahlung einen gelbfarbigen Leuchteindruck, der durch spektrale Komponenten der Sekundärstrahlung im gelben Wellenlängenbereich und/oder spektrale Komponenten im grünen und roten Wellenlängenbereich entstehen kann. Alternativ kann das
Wellenlängenkonversionselement die Primärstrahlung aus gänzlich in Sekundärstrahlung umwandeln, wobei man in diesem Fall auch von einer so genannten Vollkonversion sprechen kann .
Der Wellenlängenkonversionsstoff kann dabei einen oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Granate der Seltenen Erden und der Erdalkalimetalle, beispielsweise YAG:Ce3+, Nitride, Nitridosilikate, Sione, Sialone,
Aluminate, Oxide, Halophosphate, Orthosilikate, Sulfide, Vanadate und Chlorosilikate . Weiterhin kann der
Wellenlängenkonversionsstoff zusätzlich oder alternativ ein organisches Material umfassen, das aus einer Gruppe
ausgewählt sein kann, die Perylene, Benzopyrene, Coumarine, Rhodamine und Azo-Farbstoffe umfasst. Das
Wellenlängenkonversionselement kann als im Matrixmaterial eingebetteten Wellenlängenkonversionsstoff geeignete
Mischungen und/oder Kombinationen der genannten
Wellenlängenkonversionsstoffe aufweisen. Das Matrixmaterial kann den Wellenlängenkonversionsstoff umgeben oder enthalten oder an den Wellenlängenkonversionsstoff chemisch gebunden sein. Der Wellenlängenkonversionsstoff kann dabei besonders bevorzugt homogen im Matrixmaterial verteilt sein. Der
Wellenlängenkonversionsstoff kann beispielsweise in Form von Partikeln ausgeformt sein, die eine Größe von kleiner oder gleich 100 ym und bevorzugt von größer oder gleich 2 und kleiner oder gleich 30 μιη aufweisen können. Weiterhin kann das Wellenlängenkonversionselement als
Matrixmaterial ein transparentes Matrixmaterial umfassen, in das der Wellenlängenkonversionsstoffe eingebettet ist. Das transparente Matrixmaterial kann beispielsweise Gläser, insbesondere ein formpressbares Glas, Siloxane, Epoxide,
Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder
Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit aufweisen. Beispielsweise kann das
Matrixmaterial ein Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polycarbonat , Polyacrylat, Polyurethan oder ein Silikonharz wie etwa Polysiloxan oder Mischungen daraus umfassen oder sein . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Matrixmaterial ein Silikonharz oder ist aus Silikon. Mit Vorteil kann Silikon aufgrund seiner thermoplastischen
Eigenschaften zum einen durch den dreidimensionalen
Formprozess gut verarbeitbar sein und zum anderen eine für ein Wellenlängenkonversionselement erforderliche
Strahlungsstabilität sowie erforderliche optische
Eigenschaften wie beispielsweise eine Transparenz aufweisen.
Insbesondere kann das den umlaufenden Rand bildende
Matrixmaterial einen Teil des Wellenlängenkonversionsstoffs enthalten. Mit anderen Worten kann der
Wellenlängenkonversionsstoff im gesamten
Wellenlängenkonversionselement, also in der die Vertiefung aufweisenden Schicht und in den die Vertiefung zumindest teilweise umlaufenden Rand, enthalten sein.
Der umlaufende Rand kann weiterhin die Vertiefung gänzlich umgeben. Das kann bedeuten, dass der umlaufende Rand einen zusammenhängenden Rahmen bildet, der die Vertiefung entlang der Haupterstreckungsebene der das
Wellenlängenkonversionselement bildenden Schicht allseitig umgibt .
Weiterhin kann das Wellenlängenkonversionselement eine
Aussparung aufweisen, die senkrecht zur
Haupterstreckungsebene durch das
Wellenlängenkonversionselement hindurchragen kann. Die
Aussparung kann dabei in Form eines Lochs, einer Bohrung oder einer Öffnung ausgeführt sein. Die Aussparung kann dabei innerhalb des umlaufenden Rands angeordnet werden, sodass die Aussparung durch die Schicht des
Wellenlängenkonversionselements im Bereich der Vertiefung hindurchragt. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die Aussparung im Bereich des umlaufenden Randes liegt, sodass ein Teil des Randes aufgrund der Aussparung fehlen kann und der Rand durch die Aussparung unterbrochen ist.
Beispielsweise kann das Wellenlängenkonversionselement eine viereckige Form aufweisen, wobei die Aussparung im Bereich einer Ecke des Wellenlängenkonversionselements und im Bereich des Rands angeordnet ist, sodass im umlaufenden Rand diese Ecke fehlt. Wie weiter unten beschrieben ist, kann eine derartige Aussparung geeignet sein, durch das
Wellenlängenkonversionselement hindurch einen Halbleiterchip zu kontaktieren.
Ein optoelektronisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform umfasst insbesondere ein Wellenlängenkonversionselement gemäß einer oder mehrerer der vorgenannten Ausführungsformen.
Weiterhin weist das optoelektronische Bauelement einen Licht emittierenden Halbleiterchip auf, auf dem das
Wellenlängenkonversionselement angeordnet ist. Dabei weist der Halbleiterchip eine Oberseite auf, die zumindest einen Teil einer Lichtauskoppelfläche des Halbleiterchips bildet. Die Oberseite ist in der Vertiefung des
Wellenlängenkonversionselements angeordnet, wobei die
Oberseite lateral, also entlang der Haupterstreckungsebene des Wellenlängenkonversionselements, vom die Vertiefung umlaufenden Rand des Wellenlängenkonversionselements umgeben ist. Zwischen der Oberseite des Halbleiterchips und dem
Wellenlängenkonversionselement ist eine Verbindungsschicht angeordnet, die sich gänzlich innerhalb der Vertiefung befindet. Mit anderen Worten kann die Verbindungsschicht eine Dicke aufweisen, die kleiner als eine Tiefe der Vertiefung des Wellenlängenkonversionselements und damit kleiner als eine Höhe des Rands von einer Bodenfläche der Vertiefung aus ist. Mit anderen Worten kann es möglich sein, dass die
Verbindungsschicht nicht aus der Vertiefung herausragt.
Dadurch, dass die Verbindungsschicht gänzlich in der
Vertiefung angeordnet ist, wird Licht, das durch
Seitenflächen der Verbindungsschicht zwischen dem
Halbleiterchip und dem Wellenlängenkonversionselement
ausgekoppelt wird, in den die Vertiefung zumindest teilweise umlaufenden Rand eingekoppelt und kann dort zumindest
teilweise konvertiert werden. Der im Zusammenhang mit
bekannten Farbstoffplättchen oben beschriebene unerwünschte
Effekt der direkten Lichtauskopplung über Seitenflächen einer Klebeschicht kann somit bei dem hier beschriebenen
optoelektronischen Bauelement mit Vorteil vermieden werden. Dadurch ist es möglich, dass der bei bekannten LEDs
unerwünschte einfarbige Randbereich in der räumlichen
Abstrahlcharakteristik zumindest vermindert werden kann. Auf einer dem Halbleiterchip abgewandten Oberseite weist das Wellenlängenkonversionselement eine Außenoberfläche auf, die entlang der Haupterstreckungsebene des
Wellenlängenkonversionselements verläuft und deren
Abmessungen größer als die Abmessungen der Oberseite des Halbleiterchips sind. In der Vertiefung kann das
Wellenlängenkonversionselement eine der Außenoberfläche gegenüberliegende Innenoberfläche entlang der
Haupterstreckungsebene aufweisen, die im Wesentlichen den Abmessungen der Oberseite des Halbleiterchips entspricht. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Abmessungen,
beispielsweise Kantenlängen, der Innenoberfläche um nicht mehr als 10 %, bevorzugt um nicht mehr als 5 % und besonders bevorzugt um nicht mehr als 4 % größer als entsprechende Abmessungen der Oberseite des Halbleiterchips sein können.
Weiterhin kann die Vertiefung hinsichtlich ihrer Form an die Form der Oberseite des Halbleiterchips angepasst sein. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Oberseite des
Halbleiterchips eine dreidimensionale konvexe Form aufweist und die Vertiefung eine dreidimensionale konkave Form
aufweist, die an die dreidimensionale konvexe Form des
Halbleiterchips an seiner Oberseite angepasst ist. Der
Halbleiterchip kann damit an seiner Oberseite im Wesentlichen auf Passung in der Vertiefung montierbar sein, sodass
zwischen dem Rand des Wellenlängenkonversionselements und zumindest einer an die Oberseite angrenzenden Seitenfläche des Halbleiterchips innerhalb der Vertiefung ein Spalt auftritt, der nicht größer als 10 %, bevorzugt nicht größer als 5 % und besonders bevorzugt nicht größer als 4 % der
Abmessungen entlang der Haupterstreckungsebene der Oberseite ist. Der Halbleiterchip kann an seiner Oberseite dabei beispielsweise eine rechteckige oder quadratische Oberseite aufweisen und im Bereich der Oberseite demzufolge quaderförmig oder kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der Halbleiterchip im Bereich der Oberseite Seitenflächen aufweisen, die
senkrecht oder schräg zur Oberseite verlaufen, wobei man im letzten Fall auch von sogenannten Mesa-Kanten des
Halbleiterchips sprechen kann.
Der Licht emittierende Halbleiterchip kann beispielsweise als Licht emittierende Diode mit einer auf einem Arsenid-,
Phosphid- und/oder Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialsystem basierenden Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven, Licht erzeugenden Bereich ausgeführt sein. Derartige
Halbleiterchips sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt.
Das optoelektronische Bauelement mit dem Halbleiterchip und dem Wellenlängenkonversionselement kann weiterhin
beispielsweise auf einem Träger und/oder in einem Gehäuse angeordnet sein und mittels elektrischen Anschlüssen, beispielsweise über einen so genannten Leiterrahmen („lead frame") elektrisch kontaktierbar sein.
Weiterhin kann der Halbleiterchip einen Licht erzeugenden Bereich aufweisen, der in der Vertiefung des
Wellenlängenkonversionselements angeordnet ist. Das kann insbesondere bedeuten, dass der um die Vertiefung zumindest teilweise umlaufende Rand des Wellenlängenkonversionselements eine derartige Höhe aufweist, dass er nach dem Aufbringen des Wellenlängenkonversionselements auf den Halbleiterchip die
Seitenflächen des Halbleiterchips zumindest teilweise derart überdeckt, dass auch der Licht erzeugende Bereich zumindest teilweise überdeckt ist. Dadurch kann mit Vorteil verhindert werden, dass Licht über Seitenflächen des Halbleiterchips direkt aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt werden kann.
Weiterhin ist es bei dem hier beschriebenen
optoelektronischen Bauelement möglich, dass derartiges seitlich ausgekoppeltes Licht in den Rand des
Wellenlängenkonversionselements eingekoppelt wird und dort vom im Rand eingebetteten Wellenlängenkonversionsstoff zumindest teilweise konvertiert werden kann. Dadurch ist es mit Vorteil möglich, dass im Vergleich zu bekannten LEDs mit nur auf deren Oberseite angeordneten ebenen
Farbstoffplättchen unerwünschte Farbveränderungen im
Randbereich der räumlichen Abstrahlcharakteristik des
optoelektronischen Bauelements vermieden werden. Weiterhin kann das Wellenlängenkonversionselement eine wie oben beschriebene Aussparung aufweisen, die über der
Oberseite des Halbleiterchips angeordnet sein kann, und in der ein Kontaktbereich des Halbleiterchips angeordnet ist. Mit anderen Worten kann durch die Aussparung ein
Kontaktbereich des Halbleiterchips beispielsweise auf der Oberfläche dieses durch das Wellenlängenkonversionselement hindurch zugänglich sein, sodass der Halbleiterchip durch das Wellenlängenkonversionselement hindurch für eine
Drahtkontaktierung, beispielsweise einen Bondkontakt, zugänglich sein kann. Das optoelektronische Bauelement kann weiterhin einen Bonddraht aufweisen, der durch die Aussparung hindurch mit dem Kontaktbereich des Halbleiterchips verbunden ist. Der Kontaktbereich kann dabei in einem Randbereich der Oberseite oder auch in einem vom Rand entfernten
Mittelbereich der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet sein, wobei dementsprechend auch die Aussparung in einem Randbereich, also insbesondere im Bereich des umlaufenden Randes, oder in einem Mittelbereich innerhalb der Vertiefung des Wellenlängenkonversionselements angeordnet sein kann.
Die Aussparung kann beispielsweise mittels des
dreidimensionalen Formprozesses herstellbar sein. Alternativ dazu kann die Aussparung beispielsweise auch nach dem
Herstellen eines Wellenlängenkonversionselements oder eines Verbunds einer Mehrzahl von Wellenlängenkonversionselementen mittels Laserablation ausgeformt werden. Dadurch kann es beispielsweise mit Vorteil möglich sein, dass eine Mehrzahl von Wellenlängenkonversionselementen mittels ein und
desselben dreidimensionalen Formprozesses herstellbar sind, wobei dann anschließend die Aussparung je nach verwendetem Halbleiterchip gesondert in das
Wellenlängenkonversionselement eingebracht werden kann.
Weiterhin kann die Verbindungsschicht Silikon enthalten, wodurch die Verbindungsschicht eine hohe Strahlungsstabilität gegenüber der vom Halbleiterchip erzeugten Primärstrahlung sowie erforderliche optische Eigenschaften wie beispielsweise eine Transparenz aufweisen kann.
Das hier beschriebene Wellenlängenkonversionselement sowie das hier beschriebene optoelektronische Bauelement mit dem Wellenlängenkonversionselement auf einem Halbleiterchip können mit Vorteil beispielsweise in Automotive-,
industriellen, Elektrogeräte-, Beleuchtungs- , Medizin-, Verkehrs-, Computergeräte- und/oder Projektionsanwendungen eingesetzt werden. Insbesondere sind das hier beschriebene Wellenlängenkonversionselement und das hier beschriebene optoelektronische Bauelement besonders geeignet für
Anwendungen, die über die gesamte räumliche
Abstrahlcharakteristik einschließlich des Randbereichs der Abstrahlcharakteristik eine möglichst homogene
Lichtabstrahlung mit einem gleichmäßigen Leuchteindruck und Farbeindruck erfordern. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren 1A bis 4 beschriebenen
Ausführungsformen . Es zeigen:
Figuren 1A bis 1D schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung eines Wellenlängenkonversionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines
optoelektronischen Bauelements mit einem
Wellenlängenkonversionselement gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel und
Figuren 3 und 4 schematische Darstellungen von
optoelektronischen Bauelementen gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen . In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie beispielsweise Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. In den Figuren 1A bis 1D ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonversionselements 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Darstellung in Figur 1B entspricht dabei einem Schnitt entlang der Schnittebene BB in Figur 1A. Die Darstellung der Figur 1D entspricht einem
Schnitt entlang der Schnittebene DD in Figur IC.
In einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines
Wellenlängenkonversionselements 1 wird mittels eines
dreidimensionalen Formprozesses, der im gezeigten
Ausführungsbeispiel Formpressen ist, ein Matrixmaterial mit einem darin eingebettetem Wellenlängenkonversionsstoff zu einem Verbund 4 ausgeformt, der in den Figuren 1A und 1B gezeigt ist. Das Matrixmaterial ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel Silikon, das sich besonders gut für
Formpressen eignet, während der Wellenlängenkonversionsstoff einer oder mehrere der oben im allgemeinen Teil genannten Wellenlängenkonversionsstoffs sein kann. Die Wahl des
Wellenlängenkonversionsstoffs richtet sich nach der späteren Verwendung des Wellenlängenkonversionselements 1 und
insbesondere nach der gewünschten Lichtabstrahlung und dem gewünschten Farbeindruck eines optoelektronischen Bauelements mit dem Wellenlängenkonversionselement 1. Mittels des
dreidimensionalen Formprozesses lässt sich der Verbund 4 selbstragend herstellen.
Wie in den Figuren 1A und 1B gezeigt, weist der Verbund 4 eine schichtförmige Ausgestaltung mit einer
Haupterstreckungsebene 9 auf, entlang derer die Vertiefungen 10 im gezeigten Ausführungsbeispiel nebeneinander in einer regelmäßigen, matrixartigen Anordnung angeordnet sind. Die Vertiefungen 10 erstrecken sich dabei in die den Verbund 4 bildende Schicht aus dem Matrixmaterial und dem darin
eingebetteten Wellenlängenkonversionsstoff senkrecht zur Haupterstreckungsebene 9 hinein. Zwischen den Vertiefungen 10 sind Stege 12 angeordnet, die die Vertiefungen 10
umschließen.
Der Verbund 4 weist rein beispielhaft in den Bereichen der Stege 12 eine Dicke von etwa 0,16 mm und in den Bereichen der Vertiefungen 10 eine Dicke von etwa 0,11 mm auf, sodass die Vertiefungen jeweils eine Tiefe von 0,05 mm senkrecht zur
Haupterstreckungsrichtung 9 des Verbunds aufweisen. Jede der Vertiefungen 10 ist quadratisch ausgeführt, wobei die Form der Vertiefungen 10 rein exemplarisch gezeigt ist und sich danach richtet, welche Form ein Halbleiterchip aufweist, auf dem ein fertig gestelltes Wellenlängenkonversionselement 1 angeordnet werden soll. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist jede der Vertiefungen eine Kantenlänge von etwa 1,04 mm auf, wobei die Ecken der Vertiefungen abgerundet mit einem jeweiligen Radius von 0,01 mm ausgebildet sind, wodurch die Ausformbarkeit mittels des dreidimensionalen Formprozesses erleichtert wird. Die Stege 12 zwischen jeweils zwei
zueinander benachbarten Vertiefungen 10 weisen entlang der Haupterstreckungsebene 9 eine Breite von 0,215 mm auf, sodass entsprechende Kanten von direkt zueinander benachbarten
Vertiefungen 10 1,255 mm voneinander beabstandet sind.
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß der Figuren IC und 1D wird der Verbund 4 in Bereichen entlang der Stege 12 zwischen den Vertiefungen 10 vereinzelt. Dies kann
beispielsweise mittels Brechen, Ritzen, Sägen,
Trennschleifen, Lasertrennen, Wasserstrahlschneiden oder einer Kombination daraus erfolgen. In den Figuren IC und 1D ist ein
Wellenlängenkonversionselement 1 der so hergestellten
Mehrzahl von Wellenlängenkonversionselementen dargestellt. Entsprechend der obigen Beschreibung weist das
Wellenlängenkonversionselement 1 das Matrixmaterial mit dem im Matrixmaterial eingebetteten Wellenlängenkonversionsstoff auf, wobei das Matrixmaterial als Schicht mit der
Haupterstreckungsebene 9 ausgebildet ist und die senkrecht zur Haupterstreckungsebene 9 in das
Wellenlängenkonversionselement 1 ragende Vertiefung 10 aufweist. Durch die Vereinzelung des Verbundes 4 entlang der Stege 12 weist das Wellenlängenkonversionselement 1 nunmehr einen Rand 11 auf, der entlang der Erstreckungsebene 9 die Vertiefung 10 zumindest teilweise und im gezeigten
Ausführungsbeispiel sogar gänzlich umgibt. Ein Beispiel für einen nicht gänzlich umlaufenden Rand 11 ist in Verbindung mit Figur 4 gezeigt.
Durch den dreidimensionalen Formprozess, also durch das Formpressen im gezeigten Ausführungsbeispiel, ist somit ein dreidimensionales , selbsttragendes
Wellenlängenkonversionselement 1 herstellbar, das den
Wellenlängenkonversionsstoff durch die Einbettung im
Matrixmaterial in der gesamten, das
Wellenlängenkonversionselement bildenden Schicht sowie insbesondere auch im die Vertiefung 10 umgebenden Rand 11 aufweist .
Der im gezeigten Ausführungsbeispiel rechteckig ausgeführte Querschnitt der Vertiefung senkrecht zur
Haupterstreckungsebene 9 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Wie auch in Verbindung mit den
Ausführungsbeispielen in den weiteren Figuren deutlich wird, ist die Vertiefung hinsichtlich ihrer Form bevorzugt an die Form einer Oberseite eines Halbleiterchips angepasst, auf dem das Wellenlängenkonversionselement 1 aufgebracht wird. Weist ein solcher Halbleiterchip beispielsweise schräge
Seitenflächen in Form so genannter schräger Mesa-Kanten auf, wie sie dem Fachmann bekannt sind, so weist auch bevorzugt ein dafür geeignetes Wellenlängenkonversionselement 1 einen trapezförmigen, sich nach unten in die Vertiefung hinein verjüngenden Querschnitt senkrecht zur Haupterstreckungsebene 9 auf. Weist ein Halbleiterchip beispielsweise eine
rechteckige oder eine von einer viereckigen Form abweichende Oberseite auf, so weist auch die Vertiefung 10 eines dafür geeigneten Wellenlängenkonversionselements 1 eine
entsprechende Form der Vertiefung 10 entlang der
Haupterstreckungsebene 9 auf.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für ein
optoelektronisches Bauelement 5 gezeigt, das ein
Wellenlängenkonversionselement 1 gemäß dem vorherigen
Ausführungsbeispiel aufweist. Das
Wellenlängenkonversionselement 1 ist auf einer Oberseite 20 eines Licht emittierenden Halbleiterchips 2 angeordnet. Der Licht emittierende Halbleiterchip 2 weist ein Substrat 21 auf, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge mit einem Licht erzeugenden Bereich 23 aufgebracht ist. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterchip 2 ein so genannter Dünnfilm-Halbleiterchip mit einem als Trägersubstrat
ausgeführtem Substrat 21, auf das die als
Epitaxieschichtenfolge ausgebildete Halbleiterschichtenfolge 22 nach dem epitaktischen Aufwachsen auf einem geeigneten
Aufwachssubstrat übertragen wurde, wobei das Aufwachssubstrat teilweise oder ganz entfernt wurde. Ein Dünnfilm-Halbleiterchip zeichnet sich insbesondere durch eines oder mehrere der folgenden charakteristischen Merkmale aus :
an einer zum Trägersubstrat hin gewandten ersten
Hauptfläche der Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese
zurückreflektiert (nicht gezeigt) ;
- die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 ym oder weniger, insbesondere im Bereich von 5 bis 10 ym auf; und
die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine
Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der
epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf. Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren
Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug
aufgenommen wird.
Die Halbleiterschichtenfolge 22 weist im gezeigten
Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 6 ym auf. die
Halbleiterschichtenfolge 22 und insbesondere der Licht erzeugende Bereich 23 basieren im gezeugten
Ausführungsbeispiel auf einem Nitrid-
Verbindungshalbleitermaterialsystem und sind so ausgebildet, dass der Halbleiterchip 2 im Betrieb blaues Licht als
Primärstrahlung abstrahlt. Das Wellenlängenkonversionselement 1 weist einen Wellenlängenkonversionsstoff auf, der einen Teil des blauen Lichts des Halbleiterchips 2 in
Sekundärstrahlung in Form von gelbem und/oder grünem und rotem Licht konvertiert, so dass die Überlagerung der Primär- und der Sekundärstrahlung weißes Licht ergeben.
Alternativ dazu können der Halbleiterchip 2 und/oder das Wellenlängenkonversionselement 1 auch Licht mit weiteren oder andere Farben erzeugen beziehungsweise konvertieren.
Die Oberseite 20 bildet dabei zumindest einen Teil der
Lichtauskoppelfläche des Halbleiterchips. Das bedeutet, dass der größte Teil des im Licht erzeugenden Bereich 23 erzeugten Lichts über die Oberseite aus dem Halbleiterchip 2
ausgekoppelt wird. Daneben kann aber auch Licht aus den
Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 22 ausgekoppelt werden. Das Wellenlängenkonversionselement 1 ist derart auf der Oberseite 20 des Halbleiterchips 2 angeordnet, dass sich die Oberseite 20 innerhalb der Vertiefung 10 befindet und diese lateral, also entlang der Haupterstreckungsebene des Wellenlängenkonversionselements 1, vom die Vertiefung 10 umlaufenden Rand 11 des Wellenlängenkonversionselements 1 umgeben ist. Zwischen der Oberseite 20 und dem
Wellenlängenkonversionselement 1 ist in der Vertiefung 10 eine Verbindungsschicht 3 aus Silikon aufgebracht, die das Wellenlängenkonversionselement 1 mit dem Halbleiterchip 2 verbindet. Die Verbindungsschicht 3 ist dabei mittels Jetten auf die Oberseite 20 aufgebracht und weist eine Dicke von einigen Mikrometern auf.
Im Gegensatz dazu sind bekannte Farbstoffschichten, die typischerweise mittels Siebdruck herstellbar sind, nur in Form ebener Schichten herstellbar, die keine dreidimensionale Strukturierung in Form einer Vertiefung 10 wie das hier beschriebene Wellenlängenkonversionselement 1 aufweisen. Im Vergleich zu solchen bekannten ebenen, schichtförmigen
Farbstoffschichten, die dieselbe Kantenlänge wie der
Halbleiterchip aufweisen, auf dem eine solche
Farbstoffschicht aufgebracht wird, weist das
Wellenlängenkonversionselement 1 auf der dem Halbleiterchip 2 abgewandten Seite eine Außenoberfläche auf, deren Abmessungen größer als die Abmessungen der Oberseite 20 des
Halbleiterchips 2 sind. Die Abmessungen der Vertiefung 10 und insbesondere der der Außenoberfläche gegenüberliegenden
Innenoberfläche sowie des umlaufenden Randes 11 sind hingegen an die Oberseite 20 des Halbleiterchips 2 angepasst, der eine dreidimensionale konvexe Form, im gezeigten
Ausführungsbeispiel eine kubische Form, aufweist, während die Vertiefung 10 eine entsprechende konkave Form aufweist.
Dadurch ist es möglich, dass die Vertiefung des
Wellenlängenkonversionselements 1 auf Passung mit der
Oberseite des Halbleiterchips 2 hergestellt ist, sodass zwischen dem Wellenlängenkonversionselement 1 und dem
Halbleiterchip 2 nur Spalte auftreten, die nicht größer als etwa 10 %, bevorzugt nicht größer als etwa 5 % und besonders bevorzugt nicht größer als 4 % der Abmessungen der Oberseite des Halbleiterchips 2 sind. Die Verbindungsschicht 3 ist gänzlich in der Vertiefung 10 angeordnet, was mit anderen Worten bedeutet, dass die Dicke der Verbindungsschicht 3 geringer ist als die Tiefe der
Vertiefung 10. Dadurch ist die Verbindungsschicht 3 gänzlich von Wellenlängenkonversionselement 1 auf allen Seiten, abgesehen von der Seite, mit der die Verbindungsschicht 3 auf der Oberseite 20 des Halbleiterchips 2 angeordnet ist, bedeckt. Dadurch kann eine Auskopplung von unkonvertiertem Licht, das im Licht erzeugenden Bereich 23 des Halbleiterchips 2 erzeugt wird, aus dem optoelektronischen Bauelement 5 über Seitenflächen der Verbindungsschicht 3 verhindert werden. In der räumlichen Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelements 5 kann somit der bei bekannten LEDs unerwünschte Effekt eines blauen Randbereichs mit Vorteil vermindert oder sogar verhindert werden.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein optoelektronischen Bauelement 6 gezeigt, das im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel ein
Wellenlängenkonversionselement 1 aufweist, dessen Vertiefung 10 derart tief ist, dass auch der Licht erzeugende Bereich 23 in der Vertiefung 10 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Vertiefung 10 auch die gesamte Halbleiterschichtenfolge 22 und weiterhin beispielsweise auch noch einen Teil des
Substrats 21 überdecken. Dadurch kann mit Vorteil verhindert werden, dass im Licht erzeugenden Bereich 23 erzeugtes primäres Licht direkt und ohne durch das
Wellenlängenkonversionselement 1 hindurchtretend aus dem optoelektronischen Bauelement 6 ausgekoppelt werden kann. Somit kann eine Abstrahlung von unkonvertiertem Licht für große Abstrahlwinkel relativ zu einer Normalen zur Oberseite 20 des Halbleiterchips 2 vermieden werden, ohne dass andere Maßnahmen wie etwa eine Verspiegelung der Seitenflächen des Halbleiterchips 2 nötig wären.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Bauelement 7 gezeigt, das im Vergleich zu den Schnittdarstellungen der Figuren 2 und 3 in einer
schematischen dreidimensionalen Darstellung gezeigt ist. Das Wellenlängenkonversionselement 1 kann dabei beispielsweise gemäß einem der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. Der Halbleiterchip 2 weist im Bereich einer Ecke der Oberseite 20 einen Kontaktbereich 29 auf, der zur Drahtkontaktierung, beispielsweise mittels eines Bonddrahts (nicht gezeigt) , vorgesehen ist, um die Oberseite 20 des Halbleiterchips 2 elektrisch anzuschließen.
Das Wellenlängenkonversionselement 1 weist im Bereich des Kontaktbereichs 29 eine Aussparung 19 auf, in der der
Kontaktbereich 29 angeordnet ist. Dadurch ist trotz der Anordnung des Wellenlängenkonversionselements 1 auf der Oberseite 20 des Halbleiterchips 2 eine elektrische
Kontaktierung des Halbleiterchips 2 von der Oberseite her möglich. Die Aussparung 19 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel im Bereich des umlaufenden Randes 11 ausgebildet, sodass dieser die Vertiefung 10 nicht gänzlich umgibt.
Alternativ dazu kann der Kontaktbereich 29 auch derart auf dem Halbleiterchip angeordnet sein, dass die entsprechende Aussparung 19 des Wellenlängenkonversionselements 1 innerhalb der Vertiefung 10 angeordnet ist, sodass die Aussparung 19 auch vom Rand 11 gänzlich umgeben ist. Die Aussparung 19 kann beispielsweise nach der Fertigstellung des
Wellenlängenkonversionselements 1 im gemäß der Figuren 1A und 1B gezeigten Verfahrens beispielsweise mittels Laserablation herstellbar sein. Alternativ dazu kann die Vertiefung 19 für eines oder mehrere der Wellenlängenkonversionselemente auch bereits im Verbund 4 vor der Vereinzelung des Verbunds 4 zu einzelnen Wellenlängenkonversionselementen 1 eingebracht werden .
Das hier beschriebene Wellenlängenkonversionselement
ermöglicht mit Vorteil durch seine dreidimensionale,
selbsttragende Form eine Abstrahlung von unkonvertiertem, direkt vom Halbleiterchip abgestrahlten Licht, wobei mittels einer geeigneten Aussparung auch eine Kontaktierung der Oberseite des Halbleiterchips möglich ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2010 022 561.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Wellenlängenkonversionselement (1) mit einem
Matrixmaterial und einem im Matrixmaterial eingebetteten Wellenlängenkonversionsstoff, wobei das Matrixmaterial schichtförmig mit einer Haupterstreckungsebene (9)
ausgebildet ist und eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene (9) in das Wellenlängenkonversionselement (1) ragende
Vertiefung (10) aufweist, die von einem entlang der
Haupterstreckungsebene (9) zumindest teilweise umlaufenden Rand (11) umgeben ist, wobei das
Wellenlängenkonversionselement (1) selbsttragend ist.
2. Wellenlängenkonversionselement (1) nach Anspruch 1, wobei das Wellenlängenkonversionselement (1) einstückig ausgebildet ist.
3. Wellenlängenkonversionselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Matrixmaterial Silikon enthält.
4. Wellenlängenkonversionselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der umlaufende Rand (11) einen Teil des im Matrixmaterial eingebetteten
Wellenlängenkonversionsstoffs enthält .
5. Wellenlängenkonversionselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das
Wellenlängenkonversionselement (1) eine Aussparung (19) aufweist, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene (9) durch das Wellenlängenkonversionselement (1) hindurch ragt.
6. Wellenlängenkonversionselement (1) nach Anspruch 5, wobei die Aussparung im Bereich des Rands (11) angeordnet ist und den Rand (11) unterbricht.
7. Optoelektronisches Bauelement mit einem
Wellenlängenkonversionselement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auf einem Licht emittierenden Halbleiterchip (2), wobei der Halbleiterchip (2) eine Oberseite (20) aufweist, die zumindest einen Teil einer Lichtauskoppelfläche des
Halbleiterchips (2) bildet, wobei die Oberseite (20) in der Vertiefung (10) des Wellenlängenkonversionselements (1) angeordnet und vom die Vertiefung (10) zumindest teilweise umlaufenden Rand (11) des Wellenlängenkonversionselements (1) umgeben ist und wobei zwischen der Oberseite (20) des
Halbleiterchips (2) und dem Wellenlängenkonversionselement (1) eine Verbindungsschicht (3) gänzlich innerhalb der
Vertiefung (10) angeordnet ist.
8. Bauelement nach Anspruch 7, wobei der Halbleiterchip (2) an der Oberseite (20) eine dreidimensionale konvexe Form aufweist und die Vertiefung (10) eine dreidimensionale konkave Form aufweist, die an die dreidimensionale konvexe Form an der Oberseite (20) des Halbleiterchips (2) angepasst ist .
9. Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, wobei der
Halbleiterchip (2) einen Licht erzeugenden Bereich (23) aufweist und der Licht erzeugende Bereich (23) in der
Vertiefung (10) angeordnet ist.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Wellenlängenkonversionselement (1) eine Aussparung (19) über der Oberseite (20) des Halbleiterchips (2) aufweist und in der Aussparung (19) ein Kontaktbereich (29) des
Halbleiterchips (2) angeordnet ist.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Verbindungsschicht (3) Silikon enthält.
12. Verfahren zur Herstellung eines
Wellenlängenkonversionselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mittels eines dreidimensionalen Formprozesses.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der dreidimensionale Formprozess Formpressen ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem in das
Wellenlängenkonversionselement (1) eine Aussparung (19) mittels Laserablation eingebracht wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem mittels des dreidimensionalen Formprozesses ein
zusammenhängender Verbund (4) einer Mehrzahl von
Wellenlängenkonversionselementen (1) hergestellt wird und der Verbund (4) anschließend in die Mehrzahl von
Wellenlängenkonversionselemente (1) vereinzelt wird.
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