WO2013104751A1 - Optoelektronisches modul mit lichtwellenleiter und sein herstellungsverfahren - Google Patents

Optoelektronisches modul mit lichtwellenleiter und sein herstellungsverfahren Download PDF

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WO2013104751A1
WO2013104751A1 PCT/EP2013/050478 EP2013050478W WO2013104751A1 WO 2013104751 A1 WO2013104751 A1 WO 2013104751A1 EP 2013050478 W EP2013050478 W EP 2013050478W WO 2013104751 A1 WO2013104751 A1 WO 2013104751A1
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optoelectronic module
waveguide
spaced
semiconductor chip
electromagnetic radiation
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PCT/EP2013/050478
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Siegfried Herrmann
Stefan Illek
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic module and a method for producing a
  • Prior art optoelectronic modules may comprise a plurality of semiconductor chips arranged in a small space on a carrier. This arrangement is necessary to achieve a compact emission area and a high radiation density. The arrangement of
  • semiconductor chips in a small space may be disadvantageous, inter alia, for thermal reasons.
  • An object of the invention is to provide an optoelectronic module which improves the state of the art.
  • the present invention relates to an optoelectronic
  • Module having a carrier and at least two semiconductor chips arranged on and / or in the carrier for emission
  • an emission unit for emitting electromagnetic radiation from the optoelectronic module On or in the carrier is an emission unit for emitting electromagnetic radiation from the optoelectronic module.
  • At least one of the semiconductor chips is of the
  • a waveguide conducts the electromagnetic radiation of the at least one
  • the emitting unit has a coupling-out structure for coupling the electromagnetic radiation out of the waveguide. Due to the spacing of the semiconductor chips and the use of a waveguide, the at least two
  • mixed light can be two or more
  • Semiconductor chips are irradiated as electromagnetic radiation from a single location of the module, namely the emission unit, bundled. This can do that
  • Optoelectronic module according to the invention a small
  • the optoelectronic module can be mounted on a metal plate.
  • the metal plate advantageously has a particularly good heat conduction.
  • Optoelectronic module then serves as an insulator between the semiconductor chips and the metal plate. The thinner the
  • Carrier is formed, the better the heat dissipation from the semiconductor chip to the metal plate.
  • the metal plate In a preferred embodiment, the
  • Optoelectronic module to be mounted in a reflector. This is advantageous because of the reflector from the
  • Optoelectronic module emitted light can be emitted in the forward direction.
  • Silicon on. Silicon is easy to structure. By means of an etching process, structures can be produced in which the waveguide can be buried particularly easily.
  • Silicon has a high thermal conductivity of about 150 W / mK. This is advantageous because the heat of the semiconductor chips can be dissipated efficiently. Silicon is also easy to combine with waveguide techniques. The thickness of the
  • Silicon carrier is between 10 ym and 500 ⁇
  • the carrier comprises a ceramic material. Ceramics are cheap.
  • the ceramic material may comprise alumina (Al 2 O 3 ). Alumina has a similar thermal
  • Thermal conductivity is about 30 W / mK.
  • the ceramic carrier can be produced in multilayer technology as so-called multilayer ceramic. This multilayer ceramic will LTCC (Low
  • Multilayer ceramics can in particular electrical
  • the ceramic material may comprise aluminum nitride (A1N).
  • A1N aluminum nitride
  • Thermal conductivity as a carrier material particularly advantageous.
  • the thermal conductivity of aluminum nitride is about 180 W / mK.
  • the ceramic material may be silicon nitride (S1 3 N 4 )
  • the thermal conductivity of silicon nitride can be set between 15 and 70 W / mK. Silicon nitride (S13N 4 ) is mechanically very stable.
  • the semiconductor chips have at least one active zone which emits electromagnetic radiation.
  • the active zones may be ⁇ junctions, double heterostructure, multiple quantum well structure (MQW), single quantum well structure (SQW).
  • Quantum well structure means quantum wells (3-dim), quantum wires (2-dim) and quantum dots (1-dim).
  • the semiconductor chip may be based on a III-V compound semiconductor material.
  • III-V compound semiconductor materials are advantageous because high internal quantum efficiencies can be achieved in radiation generation.
  • the semiconductor chip may comprise aluminum indium gallium nitride (Al x In y Gai x _ y N).
  • O.sub.x.sup.1, O.sub.y.sup.1, and x.sup. + Y.sup.-1 in particular with x.sup.1, ⁇ .sup.1, x.sup.0, and / or .sigma.O.
  • Spectral range over the blue spectral range to the green spectral range emit.
  • Semiconductor chip aluminum indium gallium phosphide Al x In y Gai x _ y P. Where 0 ⁇ xl, 0 yl and x + yl, in particular with ⁇ , ⁇ , ⁇ and / or y ⁇ O. These semiconductor chips can emit electromagnetic radiation from the red spectral range to the yellow spectral range.
  • the spaced-apart semiconductor chip is an AlInGaP semiconductor chip.
  • the efficiency of AlInGaP semiconductor chips decreases sharply when heated. As the temperature increases, therefore, the luminosity of the AlInGaP semiconductor chip decreases significantly.
  • the waveguide can be at least one of the matrix materials - glass (Si0 2 ),
  • PC Polycarbonate
  • the waveguide can be a canted or round shape
  • the waveguide may have a thickness between about 0.3 mm and 1 mm. This small thickness of the waveguide is advantageous because the height of the optoelectronic module is only slightly increased by such a waveguide.
  • the waveguide may be buried in the carrier at least in regions. This can be realized by a structure, in particular a groove-shaped depression, in the carrier with liquid silicone poured out and then cured.
  • the burying of the waveguide is advantageous because it allows the height of the optoelectronic module can be minimized and the
  • Waveguide is protected.
  • the waveguide is arranged at least in regions on the surface of the carrier.
  • the waveguide is bonded to the carrier, so mechanically fastened. This is advantageous since the assembly is particularly simple.
  • the optoelectronic module can be a coupling-in structure for coupling in the electromagnetic radiation of the
  • a coupling structure can serve a prism. This is advantageous because the direction of the electromagnetic radiation is deflected by the total reflections at the glass-air interfaces of the prism and the electromagnetic
  • the prism can have glass or silicone.
  • the spaced semiconductor chip can already be pre-equipped with the prism.
  • a thin film multilayer filter as
  • the thin film multilayer filter consists of a plurality, e.g. between 50 and 60, at
  • Angle Light that is at smaller angles than the critical one Angle hits the filter is reflected back into the semiconductor chip and can be "recycled".
  • the use of a thin-film multilayer filter is advantageous because the light of the spaced-apart semiconductor chip can be coupled into the waveguide without having to introduce an opening or a recess into the waveguide.
  • the spaced-apart semiconductor chip may be at least partially buried in the carrier. This is advantageous because the height of the spaced-apart semiconductor chip.
  • optoelectronic module is minimized and the spaced semiconductor chip is protected.
  • the spaced-apart semiconductor chip may be arranged on one of the two cover surfaces of the carrier. This is advantageous because the mounting of the semiconductor chip is particularly simple.
  • the semiconductor chip as surface emitter, in particular as so-called
  • Thin-film chip be formed.
  • the thin-film chip is known, for example, from the published patent application WO2005081319A1, the disclosure of which is hereby incorporated by reference Reference is included in the disclosure of the present application.
  • the semiconductor chips may be electrically contacted by wire bonding.
  • one of the two layers can be contacted via a bonding wire.
  • both layers can be contacted with one bonding wire each.
  • the electrical contacts of the n-polarity and p-polarity semiconductor layers are realized on the side of the semiconductor chip facing the carrier.
  • the lack of contact structures on the light emission side of the semiconductor chip allows a planar surface of the semiconductor chip. This planar surface is particularly advantageous for the efficient coupling of light from the semiconductor chip into the waveguide.
  • flip chip An example of such an embodiment is the so-called flip chip.
  • the flip-chip is also advantageous since, in contrast to the wire-contacted semiconductor chip, the shading by the bonding wire is eliminated and no light-emitting surface is lost by the bonding pad on the semiconductor chip.
  • Substrateless means that the epitaxial layers of the semiconductor chip, in particular the
  • the semiconductor chips may be made of an AlInGaN material system be formed and emit electromagnetic radiation in the blue spectral range.
  • the epitaxial layers have a total thickness of about 5 ym to about 9 ym, preferably about 6 ym.
  • Substrateless semiconductor chips are
  • the waveguide comprises dispersed conversion particles.
  • the conversion particles have at least one of the following materials:
  • the conversion particles can convert blue light into yellow light.
  • the conversion of short-wave blue light into longer-wave yellow light releases heat. With near-chip conversion, this heat can reduce the efficiency of the semiconductor chip. Therefore, it is advantageous to convert as far away as possible
  • the conversion particles are distributed homogeneously in the outcoupling region of the waveguide.
  • the conversion particles in the decoupling area also lead to a beam widening, which allows a better radiation in the area.
  • Decoupling structure is a roughening of the surface of the Waveguide on. This is advantageous because more light can leave the waveguide.
  • the roughening of the waveguide can be generated in the manufacture of the waveguide or subsequently.
  • the roughening can have a pyramidal structure. The pyramids can be applied to the waveguide by a sputtering process.
  • Out coupling structure having a prism This is advantageous because total reflection at the boundary surfaces of the prism to the environment, the electromagnetic radiation can be deflected almost lossless and then coupled out of the waveguide.
  • the light exit surface of the prism can be roughened in an advantageous manner.
  • Coupling-out structure have scattering particles.
  • the scattering particles may be in the volume of the waveguide at the place of
  • Cross section of the waveguide scattering particles have.
  • the density of the scattering particles determines what proportion of the light at the emission unit can be coupled out of the waveguide. At a low density of the scattering particles little light is coupled out, at a high density of
  • Scattering particles are coupled out a lot of light.
  • the scattering particles come in a concentration between 1 and 50
  • Percent by weight preferably between 5 and 30
  • Percent by weight more preferably between 10 and 20
  • Percent by weight in the matrix material of the waveguide Percent by weight in the matrix material of the waveguide.
  • a matrix material of the waveguide is suitable, for. Silicone. Scattering particles can have a diffuse reflectivity
  • Diffusely reflecting particles may comprise at least one of the following materials that are inert and inexpensive:
  • Titanium dioxide TiO 2
  • Alumina Al 2 O 3
  • Al 2 O 3 Al 2 O 3
  • Specularly reflective particles may comprise at least one of the following materials:
  • the scattering particles may advantageously have a particle size of about 500 nm to about 3 ym. This is the
  • Coupling structures are combined in an advantageous manner.
  • Coupling structure integrated into the waveguide This is advantageous since the coupling-out structure is protected and the overall height of the optoelectronic module is minimized.
  • a radiation unit minimum at twice the edge length of the spaced semiconductor chip, preferably at least three times the edge length of the spaced semiconductor chip.
  • the minimum distance can have the following values:
  • the maximum distance can have the following values:
  • edge length of about 0.5 mm, a maximum of about 30 mm, preferably a maximum of about 15 mm;
  • edge length of about 2 mm, a maximum of about 120 mm, preferably about 60 mm.
  • Maintaining a maximum distance is advantageous in order to limit the dimensions of the optoelectronic module to a certain size.
  • the present invention further relates to a method for producing an optoelectronic module with the following steps. First, a carrier is provided. Subsequently, at least two semiconductor chips for
  • an emission unit for emitting electromagnetic radiation Emission of electromagnetic radiation to and / or disposed in the carrier. Subsequently, an emission unit for emitting electromagnetic radiation from the
  • Optoelectronic module arranged on or in the carrier. At least one of the semiconductor chips is of the
  • Waveguide conducts the electromagnetic radiation of the at least one spaced-apart semiconductor chip
  • Decoupling structure for decoupling the electromagnetic
  • This method is advantageous because it can be used to produce an opto-electronic module in which the temperature-sensitive
  • Semiconductor chips can be thermally decoupled from the emission unit.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a
  • Optoelectronic module according to the invention in plan view
  • Figure 3 shows a third embodiment of a
  • Optoelectronic module according to the invention in plan view
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of a
  • Optoelectronic module according to the invention in plan view
  • Figure 5 shows a fifth embodiment of a
  • FIG. 6 shows a sixth embodiment of a
  • Optoelectronic module according to the invention in plan view
  • FIG. 7a shows a seventh exemplary embodiment
  • Figure 7b shows an eighth embodiment of a
  • FIG. 7c shows a ninth exemplary embodiment of an optoelectronic module according to the invention
  • FIG. 8 a shows a tenth exemplary embodiment of an optoelectronic module according to the invention in FIG
  • FIG. 8b shows an eleventh exemplary embodiment of an optoelectronic module according to the invention
  • FIG. 8c shows a twelfth exemplary embodiment of an optoelectronic module according to the invention
  • FIG. 8 d shows a thirteenth exemplary embodiment of an optoelectronic module according to the invention in FIG
  • FIG. 9a shows a fourteenth embodiment of an optoelectronic module according to the invention in FIG.
  • FIG. 9b shows a fifteenth embodiment of an optoelectronic module according to the invention in FIG.
  • FIG. 9 c shows a sixteenth exemplary embodiment of an optoelectronic module according to the invention in FIG.
  • Figure 10a shows a seventeenth embodiment of an optoelectronic module according to the invention in plan view
  • FIG. 10b shows a section of the optoelectronic module according to the invention from FIG. 10a in a sectional view.
  • FIG. 1 a shows a first exemplary embodiment of an optoelectronic module 202 in accordance with the invention
  • FIG. 1 Top view.
  • a carrier 102 On a carrier 102, two semiconductor chips 104, 106 for emitting electromagnetic radiation 108 b (not shown in Figure la), 108 a arranged.
  • a radiation unit 110 for emitting electromagnetic radiation 109 On or in the carrier 102 is a radiation unit 110 for emitting electromagnetic radiation 109 (in Figure la not
  • the semiconductor chip 106 is spaced from the emitter unit 110.
  • a waveguide 112 conducts the
  • the emitting unit 110 has a coupling-out structure 114 for coupling the electromagnetic radiation 108a out of the waveguide 112.
  • the emitting unit 110 has a semiconductor chip 104.
  • the carrier 102 comprises silicon or a ceramic material.
  • the distance 122 between the spaced apart semiconductor chip 106 and the emitter unit 110 is at a minimum of twice the edge length 132 of FIG.
  • spaced apart semiconductor chips 106 preferably at least three times the edge length 132 of the spaced one
  • the distance is minimally about 2 mm, preferably at least about 3 mm.
  • the distance 122 between the spaced-apart semiconductor chip 106 and the emitter unit 110 is at the maximum in the
  • the distance 122 is at most about 60 mm, preferably at most about 30 mm.
  • a section line 130 is shown, which the optoelectronic module 202 along its longitudinal axis cuts through the middle. The width of the waveguide 112
  • the coupling-out structure 114 may have, for example, a square or a rectangular shape.
  • the areal dimension of the decoupling structure 114 may have a width and a length, each of an edge length 132 of the spaced apart
  • Semiconductor chips 106 have. For example, the
  • Decoupling structure 114 has a width of 2 and a length of 3 edge lengths 132 of the spaced semiconductor chip 106.
  • FIG. 1b shows the embodiment of the optoelectronic module according to the invention from FIG. 1a in a sectional view along the section line 130. The spaced-apart semiconductor chip 106 is completely buried in the carrier 102.
  • the prism 116a couples the electromagnetic radiation 108a of the spaced semiconductor chip 106 into the waveguide 112.
  • the waveguide 112 directs the electromagnetic radiation 108a to the coupling-out structure 114, which forms part of the
  • Emitting unit 110 is. As decoupling structure 114, a prism 114b is provided. In the emitting unit 110, a semiconductor chip 104 is additionally arranged, which emits electromagnetic radiation 108b. From the emission unit 110, electromagnetic radiation 109 in the form of mixed light is emitted, which leaves the optoelectronic module 202.
  • the mixed light 109 is composed of the
  • Decoupling structure 114 are arranged on the surface of the carrier 102. Also, the semiconductor chip 104 in the
  • Abstrahlech 110 is disposed on the surface of the carrier 102.
  • surface emitters are particularly well suited as spaced-apart semiconductor chips 106 because of the necessary, efficient coupling of the electromagnetic radiation 108 a into the waveguide 112.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a
  • Optoelectronic module 204 in accordance with the invention
  • spaced semiconductor chips 106 are provided. In the present case, this is a green, spaced-apart semiconductor chip 106b and a red-spaced semiconductor chip 106c.
  • the light of the spaced-apart semiconductor chips 106b, 106c is conducted via a respective waveguide 112 to the emitting unit 110.
  • the emitting unit 110 no semiconductor chip is arranged. As a result, the emitting unit 110 coincides with the coupling-out structure 114.
  • the emitting unit 110 emits the mixed light 109 (not shown in FIG. 2) of green light and red light from the optoelectronic module 204.
  • Figure 3 shows a third embodiment of a
  • Optoelectronic module 206 in accordance with the invention
  • All semiconductor chips 106 a, 106 b, 106 c are spaced from the emitting unit 110. There are two red spaced semiconductor chips 106c, each green spaced
  • Semiconductor chips 106b and blue spaced semiconductor chips 106al provided.
  • the electromagnetic radiation 108a of all the spaced-apart semiconductor chips 106al, 106b, 106c is conducted via waveguide 112 to a single emission unit 110.
  • Such an optoelectronic module 206 is suitable for point light sources which emit mixed light 109 (not shown in FIG. 3) of red, green and blue light, that is to say substantially white mixed light.
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of a
  • Optoelectronic module 208 in accordance with the invention
  • the white LEDs 107 have spaced blue semiconductor chips 106al that emit electromagnetic radiation in the blue spectral range. Part of the blue radiation gets through
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of a
  • Optoelectronic module 210 in accordance with the invention
  • the electromagnetic radiation 108 a of the spaced-apart semiconductor chips 106 b, 106 c is guided via waveguide 112 to the central emission unit 110 and via the coupling-out structure 114 from the
  • Waveguides 112 decoupled Within the emitting unit 110 four semiconductor chips 104al are arranged, each of which has electromagnetic radiation 108b (not shown in FIG shown) in the blue spectral range.
  • the blue semiconductor chips 104al in the emission unit 110 may
  • Patent DE102006015788A1 be known.
  • blue surface emitters 104al are preferably used. The emitting in the blue and green spectral range
  • Semiconductor chips can be based on the AlInGaP material system. It is particularly advantageous, the thermal
  • This optoelectronic module 210 is used to produce white mixed light 109 (not shown in FIG. 5).
  • Figure 6 shows a sixth embodiment of a
  • Optoelectronic module 212 in accordance with the invention
  • Semiconductor chip 106c is spaced from the emitter unit. This optoelectronic module 212 is used to produce white mixed light 109 (not shown in FIG. 6).
  • the sectional views in FIGS. 7 a, 7 b, 8 a, 8 b and 8 c are shown along the cutting axis 134.
  • Figure 7a shows a seventh embodiment of a
  • Optoelectronic module 214 in accordance with the invention
  • the spaced red semiconductor chip 106c is completely buried in the carrier 102.
  • a prism 116a is provided as a coupling structure in the waveguide 112.
  • the Prism 116a serves to deflect the electromagnetic
  • FIG. 7b shows an eighth embodiment of a
  • Optoelectronic module 216 in accordance with the invention
  • the spaced-apart red semiconductor chip 106c is disposed on the side of the carrier 102 opposite to the side with the coupling structure in the form of a prism 116a.
  • a recess must be provided, through which the electromagnetic radiation 108a of the spaced-apart semiconductor chip 106c can be guided to the prism 116a. Otherwise, the present corresponds
  • Figure 7c shows a ninth embodiment of a
  • Optoelectronic module 218 in accordance with the invention
  • the spaced semiconductor chip is a substrateless blue semiconductor chip 106a2. Because of its small height above the carrier 102 of only about 6 m, the substrateless semiconductor chip 106a2 does not have to be buried in the carrier 102. Otherwise, the present corresponds
  • Figure 8a shows a tenth embodiment of a
  • Optoelectronic module 220 in accordance with the invention
  • Optoelectronic module 222 in accordance with the invention
  • the spaced red semiconductor chip 106c is not buried in the carrier 102.
  • the semiconductor chip 106 c is disposed on the surface of the carrier 102, which is the
  • Waveguide 112 is opposite. Otherwise, the present embodiment corresponds to the embodiment in Figure 8a.
  • FIG. 8 c shows a twelfth exemplary embodiment of an optoelectronic module 224 according to the invention in FIG.
  • Semiconductor chip 106c is buried in the carrier 102 so that its electromagnetic radiation 108a directly into the
  • Waveguide 112 can be coupled. Otherwise
  • FIG. 8 d shows a thirteenth exemplary embodiment of an optoelectronic module 226 according to the invention
  • Semiconductor chip 106al is applied as a coupling structure, a thin-film multilayer filter 116b.
  • This filter 116b causes only electromagnetic radiation 108a having a radiation angle to the normal greater than a critical angle ao to be transmitted.
  • Filtering property is particularly advantageous for coupling electromagnetic radiation 108a into the waveguide 112.
  • the luminance in the waveguide 112 can be further increased by providing that end of the waveguide 112 with a mirror 116c facing the coupling-out structure 114, in particular the prism 114b.
  • a prism 116a for coupling in and deflection of the electromagnetic radiation 108a can be dispensed with.
  • FIG. 9a shows a fourteenth embodiment of an optoelectronic module 228 according to the invention in FIG.
  • Radiation 108a in the waveguide 112 and the prism 114b for coupling the electromagnetic radiation 108a out of the waveguide 112 are completely in the carrier 102
  • the waveguide 112 has a roughening 114a on its surface as
  • the waveguide 112 is only in
  • FIG. 9b shows a fifteenth exemplary embodiment of an optoelectronic module 230 in accordance with the invention
  • the coupling-out structure in the waveguide 112 has a roughening 114a and scattering particles 114c.
  • the scattering particles 114c are approximately homogeneously distributed over the entire cross section of the waveguide 112.
  • Scattering particles 114c Ti02 particles can be used. On a prism 114b as Auskoppel poetic can be omitted. Otherwise, the present corresponds
  • FIG. 9c shows a sixteenth embodiment of an optoelectronic module 232 in accordance with the invention Sectional view.
  • Conversion particles 120 may be part of the
  • the mixed light can give off white light.
  • the heat produced by the wavelength conversion in the conversion particles 120 can be far removed from the spaced semiconductor chip 106al
  • FIG. 10 a shows a seventeenth exemplary embodiment of an optoelectronic module 234 according to the invention in FIG.
  • a spaced semiconductor chips each have a red semiconductor chip 106 c and a green semiconductor chip 106 b are provided.
  • the electromagnetic radiation 108a is conducted to the coupling-out structure 114 and emitted through an exit window 126 of the waveguide 112.
  • a blue substrateless semiconductor chip 104a2 is additionally arranged. The blue light gets through the
  • Radiation emission surface 124 and the exit window 126 form an overlap 128.
  • the radiation emission surface 124 and the exit window 126 are directly adjacent to each other
  • FIG. 10b shows a detail of the optoelectronic module 234 according to the invention from FIG. 10a in FIG.
  • the emitting unit 110 of the optoelectronic module 234 shown in FIG. 10a The coupling-out structure is a prism 114b.
  • the waveguide 112 is covered in the emission unit 110 by a translucent exit window 126. Because of its small thickness of only about 6 m, the substrateless blue semiconductor chip 104a2 on the surface of the carrier 102 in the
  • Abstrahlech 110 are arranged. Due to the overlap 128 of the radiation emission surface 124 of the blue semiconductor chip 104a2 and the exit window 126 of the waveguide 112, mixed light 109 can be produced by the optoelectronic module 234
  • An exemplary embodiment of a method for producing an optoelectronic module is shown below. First, a carrier is provided. Subsequently, at least two semiconductor chips for the emission of
  • Optoelectronic module arranged on or in the carrier. At least one of the semiconductor chips is of the
  • Waveguide conducts the electromagnetic radiation of the at least one spaced-apart semiconductor chip
  • Decoupling structure arranged for coupling the electromagnetic radiation from the waveguide.
  • the optoelectronic module and the method for producing an optoelectronic module have been described by way of illustration of the underlying idea Embodiments described.
  • the exemplary embodiments are not based on specific feature combinations

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Abstract

Ein optoelektronisches Modul (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230, 232, 234) weist einen Träger (102) auf, an dem und/oder in dem mindestens zwei Halbleiterchips (104, 104a1, 104a2, 104b; 106, 106a1, 106a2, 106b, 106c) zur Emission elektromagnetischer Strahlung (108a, 108b) angeordnet sind. Auf oder in dem Träger (102) ist eine Abstrahleinheit (110) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung (109) aus dem optoelektronischen Modul (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230, 232, 234) angeordnet. Mindestens einer der Halbleiterchips (106, 106a1, 106a2, 106b, 106c) ist von der Abstrahleinheit (110) beabstandet. Ein Wellenleiter (112) leitet die elektromagnetische Strahlung (108a) des mindestens einen beabstandeten Halbleiterchips (106, 106a1, 106a2, 106b, 106c) zur Abstrahleinheit (110). Die Abstrahleinheit (110) weist eine Auskoppelstruktur (114, 114a, 114b, 114c) zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung (108a) aus dem Wellenleiter (112) auf.

Description

OPTOELEKTRONISCHES MODUL MIT LICHTWELLENLEITER UND SEIN
HERSTELLUNGSVERFAHREN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Modul und ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Moduls.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2012 200 416.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Optoelektronische Module aus dem Stand der Technik können eine Mehrzahl an Halbleiterchips aufweisen, die auf engem Raum auf einem Träger angeordnet sind. Diese Anordnung ist notwendig, um eine kompakte Emissionsfläche und eine hohe Strahlungsdichte zu erreichen. Die Anordnung der
Halbleiterchips auf engem Raum kann jedoch unter anderem aus thermischen Gründen nachteilig sein.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Modul anzugeben, das den Stand der Technik verbessert.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Modul gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 18 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der
optoelektronischen Anordnung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben. Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches
Modul mit einem Träger und mindestens zwei an und/oder in dem Träger angeordneten Halbleiterchips zur Emission
elektromagnetischer Strahlung. Auf oder in dem Träger ist eine Abstrahleinheit zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung aus dem optoelektronischen Modul angeordnet.
Mindestens einer der Halbleiterchips ist von der
Abstrahleinheit beabstandet. Ein Wellenleiter leitet die elektromagnetische Strahlung des mindestens einen
beabstandeten Halbleiterchips zur Abstrahleinheit. Die
Abstrahleinheit weist eine Auskoppelstruktur zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung aus dem Wellenleiter auf. Durch die Beabstandung der Halbleiterchips und den Einsatz eines Wellenleiters können die mindestens zwei
Halbleiterchips zumindest teilweise thermisch entkoppelt werden. Zudem kann Mischlicht aus zwei oder mehr
Halbleiterchips als elektromagnetische Strahlung von einem einzigen Ort des Moduls, nämlich der Abstrahleinheit, gebündelt abgestrahlt werden. Dadurch kann das
erfindungsgemäße optoelektronische Modul einen kleinen
Leuchtspot mit einer hohen Leuchtdichte erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Abstrahleinheit mindestens einen Halbleiterchip auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da auch in dieser Anordnung der mindestens eine Halbleiterchip in der Abstrahleinheit von dem mindestens einen beabstandeten Halbleiterchip thermisch entkoppelt ist, gleichzeitig aber nur ein Wellenleiter nötig ist . Das optoelektronische Modul kann auf einer Metallplatte montiert sein. Die Metallplatte weist vorteilhafter Weise eine besonders gute Wärmeleitung auf. Der Träger des
optoelektronischen Moduls dient dann als Isolator zwischen den Halbleiterchips und der Metallplatte. Je dünner der
Träger ausgebildet ist, desto besser ist die Wärmeabfuhr von den Halbleiterchips zur Metallplatte. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das
optoelektronische Modul in einem Reflektor montiert sein. Dies ist vorteilhaft, da durch den Reflektor das vom
optoelektronischen Modul emittierte Licht in Vorwärtsrichtung abgestrahlt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Träger
Silizium auf. Silizium ist leicht strukturierbar. Durch einen Ätzprozess können Strukturen erzeugt werden, in denen der Wellenleiter besonders einfach vergraben werden kann.
Silizium weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 150 W/mK auf. Dies ist vorteilhaft, da die Wärme der Halbleiterchips effizient abgeführt werden kann. Silizium ist zudem gut kombinierbar mit Wellenleitertechniken. Die Dicke des
Siliziumträgers beträgt zwischen 10 ym und 500 μιτι,
vorzugsweise zwischen 150 pm und 350 ym.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist der Träger ein keramisches Material auf. Keramik ist preiswert. Das keramische Material kann Aluminiumoxid (AI2O3) aufweisen. Aluminiumoxid hat einen ähnlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizient wie die Halbleiterchips. Die
Wärmeleitfähigkeit liegt bei etwa 30 W/mK. Der Keramikträger kann in Multilayertechnik als sogenannte Multilayerkeramik hergestellt sein. Diese Multilayerkeramik wird LTCC (Low
Temperature Cofire Ceramic) genannt. In diese
Multilayerkeramik können insbesondere elektrische
Leitungsbahnen, Wellenleiter und/oder Halbleiterchips vergraben werden. Eine Multilayerkeramik besteht aus mehreren Layern (=Blättern) , die miteinander verbacken sind.
Strukturen, wie die Gräben für die Wellenleiter, werden vor dem Verbacken in die einzelnen Layer eingebracht. Das keramische Material kann Aluminiumnitrid (A1N) aufweisen . Aluminiumnitrid ist wegen seiner sehr guten
Wärmeleitfähigkeit als Trägermaterial besonders vorteilhaft. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid liegt bei etwa 180 W/mK.
Das keramische Material kann Siliziumnitrid (S13N4)
aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid kann zwischen 15 und 70 W/mK eingestellt werden. Siliziumnitrid (S13N4) ist mechanisch sehr stabil. Die Halbleiterchips weisen mindestens eine aktive Zone auf, die elektromagnetische Strahlung emittiert. Die aktiven Zonen können ρη-Übergänge, Doppelheterostruktur, Mehrfach- Quantentopfstruktur (MQW) , Einfach-Quantentopfstruktur (SQW) sein. Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (3-dim) , Quantendrähte (2-dim) und Quantenpunkte (1-dim).
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basieren. III- V-Verbindungshalbleitermaterialen sind vorteilhaft, da bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip Aluminium Indium Gallium Nitrid (AlxInyGai-x_yN) aufweisen.
Hierbei gilt O^x^l, O^y^l und x+y^l, insbesondere mit x^l, ^l, x^0 und/oder ^0. Diese Halbleiterchips können
elektromagnetische Strahlung vom ultravioletten
Spektralbereich über den blauen Spektralbereich bis zum grünen Spektralbereich emittieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der
Halbleiterchip Aluminium Indium Gallium Phosphid (AlxInyGai-x_ yP) aufweisen. Hierbei gilt 0^x l, 0 y l und x+y l, insbesondere mit κφΐ , γΦΙ , χΦΟ und/oder y^O . Diese Halbleiterchips können elektromagnetische Strahlung vom roten Spektralbereich bis zum gelben Spektralbereich emittieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der beabstandete Halbleiterchip ein AlInGaP-Halbleiterchip . Die Effizienz von AlInGaP-Halbleiterchips nimmt bei Erwärmung stark ab. Mit steigender Temperatur nimmt deshalb die Leuchtstärke des AlInGaP-Halbleiterchips signifikant ab. Durch die
Beabstandung wird der AlInGaP-Halbleiterchip von den
Halbleiterchips in der Abstrahleinheit und von den weiteren beabstandeten Halbleiterchips thermisch entkoppelt. Mit der vorliegenden Erfindung wird es daher erst möglich, das Licht von AlInGaP-Halbleiterchips gebündelt abzustrahlen.
Der Wellenleiter kann wenigstens eines der Matrixmaterialien - Glas (Si02) ,
- Silikon,
- Polymethylmethacrylat (PMMA) ,
- Polycarbonat (PC) aufweisen.
Der Einsatz von Glas oder Silikon ist besonders vorteilhaft, da diese Materialien kostengünstig und einfach in der
Verarbeitung sind.
Der Wellenleiter kann eine gekantete oder runde Form
aufweisen. Der Wellenleiter kann eine Dicke zwischen etwa 0,3 mm und 1 mm aufweisen. Diese geringe Dicke des Wellenleiters ist vorteilhaft, da durch einen solchen Wellenleiter die Bauhöhe des optoelektronischen Moduls nur unwesentlich vergrößert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Wellenleiter zumindest bereichsweise im Träger vergraben sein. Dies kann realisiert werden, indem eine Struktur, insbesondere eine rinnenförmige Vertiefung, im Träger mit flüssigem Silikon ausgegossen und anschließend ausgehärtet wird. Das Vergraben des Wellenleiters ist vorteilhaft, da dadurch die Bauhöhe des optoelektronischen Moduls minimiert werden kann und der
Wellenleiter geschützt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wellenleiter zumindest bereichsweise auf der Oberfläche des Trägers angeordnet. Der Wellenleiter ist an den Träger gebondet, also mechanisch befestigt. Dies ist vorteilhaft, da die Montage besonders einfach ist. Das optoelektronische Modul kann eine Einkoppelstruktur zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung der
beabstandeten Halbleiterchips in den Wellenleiter aufweisen. Als Einkoppelstruktur kann ein Prisma dienen. Dies ist vorteilhaft, da durch die Totalreflexionen an den Glas-Luft- Grenzflächen des Prismas die Richtung der elektromagnetischen Strahlung umgelenkt wird und die elektromagnetischen
Strahlung effizient in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Prisma kann Glas oder Silikon aufweisen. Der beabstandete Halbleiterchip kann schon vorab mit dem Prisma bestückt sein. Alternativ kann ein Dünnfilm-Multilayer-Filter als
Einkoppelstruktur dienen. Der Dünnfilm-Multilayer-Filter besteht aus einer Vielzahl, z.B. zwischen 50 und 60, an
Einzelschichten. Als Materialien für die Einzelschichten können Beispielsweise M^Os und S1O2 zum Einsatz kommen. Der Dünnfilm-Multilayer-Filter ist unmittelbar auf der
Strahlungsemissionsseite des beabstandeten Halbleiterchips angeordnet. Durch einen Dünnfilm-Multilayer-Filter wird nur das Licht des Halbleiterchips transmittiert , das unter
Winkeln zur Normalen (auf die Strahlungemissionsfläche) auf den Filter auftrifft, die größer sind als ein kritischer
Winkel. Licht, das unter kleineren Winkeln als der kritische Winkel auf den Filter auftrifft, wird in den Halbleiterchip zurückreflektiert und kann "recycled" werden. Der Einsatz eines Dünnfilm-Multilayer-Filter ist vorteilhaft, da das Licht des beabstandeten Halbleiterchips in den Wellenleiter einkoppelbar ist, ohne dass eine Öffnung oder eine Ausnehmung in den Wellenleiter eingebracht werden muss. Zudem kann durch den Filter der Leuchtdichteverlust unmittelbar über dem
Halbleiterchip minimiert werden. Die Herstellung und die Funktionsweise eines Dünnfilm-Multilayer-Filter ist in der Veröffentlichung "Injecting Light of High-Power LEDs into
Thin Light Guides", Hugo J . Cornelissen et al . , International Optical Design Conference 2010, SPIE-OSA/Vol . 7652 offenbart. Die Offenbarung der obigen Schrift wird hiermit durch
Rückbezug in die Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der beabstandete Halbleiterchip zumindest teilweise im Träger vergraben sein. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Bauhöhe des
optoelektronischen Moduls minimiert wird und der beabstandete Halbleiterchip geschützt ist.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann der beabstandete Halbleiterchip auf einer der beiden Deckflächen des Trägers angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da die Montage des Halbleiterchips besonders einfach ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip als Oberflächenemitter, insbesondere als sogenannter
Dünnfilmchip, ausgebildet sein. Der Einsatz eines
Oberflächenemitters ist besonders vorteilhaft, da sein Licht besonders effizient in Wellenleiter einkoppelbar ist. Der Dünnfilmchip ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift WO2005081319A1 bekannt, deren Offenbarung hiermit durch Rückbezug in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung aufgenommen wird.
Die Halbleiterchips können durch Drahtbonden elektrisch kontaktiert sein. Bei Licht emittierenden Halbleiterchips, die eine Schicht mit einer n-Polarität und eine Schicht mit einer p-Polarität aufweisen, kann eine der beiden Schichten über einen Bonddraht kontaktiert werden. In einer
alternativen Ausführungsform können beide Schichten mit je einem Bonddraht kontaktiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die elektrischen Kontakte der Halbleiterschichten mit n-Polarität und p- Polarität auf der Seite des Halbleiterchips realisiert, die zum Träger weist. Das Fehlen von Kontaktstrukturen auf der Lichtemissionsseite des Halbleiterchips ermöglicht eine plane Oberfläche des Halbleiterchips. Diese plane Oberfläche ist besonders vorteilhaft für die effiziente Einkopplung von Licht aus dem Halbleiterchip in den Wellenleiter. Ein
Beispiel für eine solche Ausführungsform ist der sogenannte Flipchip. Der Flipchip ist auch vorteilhaft, da im Gegensatz zum Draht-kontaktierten Halbleiterchip die Abschattung durch den Bonddraht entfällt und keine lichtemittierende Fläche durch das Bondpad auf dem Halbleiterchip verloren geht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der
Oberflächenemitter als sogenannter substratloser
Halbleiterchip ausgebildet. Substratlos bedeutet, dass die Epitaxieschichten des Halbleiterchips, insbesondere die
Lichterzeugenden Epitaxieschichten, direkt auf dem Träger aufgebracht sind. Mit anderen Worten fehlt das Germaniumbzw, das Silizium- Substrat, das bei bekannten
optoelektronischen Halbleiterchips zum Einsatz kommt. Die Halbleiterchips können aus einem AlInGaN-Materialsystem gebildet sein und elektromagnetische Strahlung im blauen Spektralbereich emittieren. Die Epitaxieschichten weisen eine Gesamtdicke von etwa 5 ym bis etwa 9 ym, vorzugsweise von etwa 6 ym, auf. Substratlose Halbleiterchips sind
vorteilhaft, da sie die Bauhöhe des optoelektronischen Moduls nur um diese 5 ym bis 9 ym erhöhen. Substratlose
Halbleiterchips werden zum Beispiel in der Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer DE102009051746 beschrieben. Die
Offenbarung dieser Schrift wird hiermit durch Rückbezug in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wellenleiter dispergierte Konversionspartikel auf. Die Konversionspartikel weisen wenigstens eines der folgenden Materialien auf:
- Lanthan dotiertes Yttriumoxid (Y203-La203) ,
- Yttrium Aluminium Granat (Y3AI5O12) ,
- Dysprosiumoxid ( DV2O3 ) ,
- Aluminium Oxynitrid ( AI 23O27N5 ) oder
- Aluminium Nitrid (A1N) .
Die Konversionspartikel können insbesondere blaues Licht in gelbes Licht wandeln. Bei der Konversion von kurzwelligem blauen Licht in längerwelliges gelbes Licht wird Wärme frei. Bei chipnaher Konversion kann diese Wärme die Effizienz des Halbleiterchips verringern. Deshalb ist es vorteilhaft die Konversion in möglichst großer Entfernung zum
temperaturempfindlichen beabstandeten Halbleiterchip zu realisieren. Besonders bevorzugt sind die Konversionspartikel im Auskoppelbereich des Wellenleiters homogen verteilt. Die Konversionspartikel im Auskoppelbereich führen zudem zu einer Strahlaufweitung, was eine bessere Abstrahlung in die Fläche ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Auskoppelstruktur eine Aufrauung der Oberfläche des Wellenleiters auf. Dies ist vorteilhaft, da mehr Licht den Wellenleiter verlassen kann. Die Aufrauung des Wellenleiters kann bei der Herstellung des Wellenleiters oder nachträglich erzeugt werden. Die Aufrauung kann eine Pyramidenstruktur aufweisen. Die Pyramiden können durch einen Sputterprozess auf den Wellenleiter aufgebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die
Auskoppelstruktur ein Prisma aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da durch Totalreflexion an den Grenzflächen von Prisma zu Umgebung die elektromagnetische Strahlung nahezu verlustfrei umgelenkt und anschließend aus dem Wellenleiter ausgekoppelt werden kann. Die Lichtaustrittsfläche des Prismas kann in vorteilhafter Weise aufgeraut sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die
Auskoppelstruktur Streupartikel aufweisen. Die Streupartikel können im Volumen des Wellenleiters am Ort der
Abstrahleinheit näherungsweise homogen verteilt sein. Mit anderen Worten kann an der Abstrahleinheit der gesamte
Querschnitt des Wellenleiters Streupartikel aufweisen. Die Dichte der Streupartikel legt fest, welcher Anteil des Lichts an der Abstrahleinheit aus dem Wellenleiter ausgekoppelt werden kann. Bei einer geringen Dichte der Streupartikel wird wenig Licht ausgekoppelt, bei einer hohen Dichte der
Streupartikel wird viel Licht ausgekoppelt. Die Streupartikel kommen in einer Konzentration zwischen 1 und 50
Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 5 und 30
Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zwischen 10 und 20
Gewichtsprozent im Matrixmaterial des Wellenleiters vor. Als Matrixmaterial des Wellenleiters eignet sich z.B. Silikon. Streupartikel können eine diffuse Reflektivität
(Einfallswinkel ist meist ungleich zu Ausfallswinkel) und/oder eine spekulare Reflektivität (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) aufweisen. Diffus reflektierende Partikel können wenigstens eines der folgenden Materialien aufweisen, die inert und preiswert sind:
- Titandioxid (Ti02) ,
- Aluminiumoxid (AI2O3) oder
- Zirkoniumoxid (ZrO) .
- Bariumdifluorid (BaF2) .
Spekular reflektierende Partikel können wenigstens eines der folgenden Materialien aufweisen:
- Silber (Ag) ,
- Aluminium (AI) ,
- Quanten-Dots .
Die Streupartikel können vorteilhafter Weise eine Korngröße von etwa 500 nm bis etwa 3 ym aufweisen. Damit liegt der
Durchmesser der Streupartikel im Bereich der Wellenlänge des Lichtes, das gestreut werden soll.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann als
Auskoppelstruktur der Wellenleiter im Bereich der
Abstrahleinheit vollständig verspiegelt sein, außer an der Stelle, an der die elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenleiter austreten soll.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die oben
dargestellten Auskoppelstrukturen in vorteilhafter Weise kombiniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die
Auskoppelstruktur in den Wellenleiter integriert. Dies ist vorteilhaft, da die Auskoppelstruktur geschützt ist und die Bauhöhe des optoelektronischen Moduls minimiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand zwischen den beabstandeten Halbleiterchips und der
Abstrahleinheit minimal bei der doppelten Kantenlänge des beabstandeten Halbleiterchips, vorzugsweise minimal bei der dreifachen Kantenlänge des beabstandeten Halbleiterchips. Beispielsweise kann der minimale Abstand folgende Werte aufweisen :
- bei einer Kantenlänge von etwa 0,5 mm, minimal etwa 1 mm, vorzugsweise minimal etwa 1,5 mm;
- bei einer Kantenlänge von etwa 1 mm, minimal etwa 2 mm, vorzugsweise minimal etwa 3 mm;
- bei einer Kantenlänge von etwa 2 mm, minimal etwa 4 mm, vorzugsweise minimal etwa 6 mm.
Die Einhaltung eines minimalen Abstandes ist vorteilhaft, da dadurch eine ausreichende thermische Entkopplung des
mindestens einen beabstandeten Halbleiterchips von den
Halbleiterchips in der Abstrahleinheit möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand zwischen den beabstandeten Halbleiterchips und der
Abstrahleinheit maximal bei der sechzig-fachen Kantenlänge des beabstandeten Halbleiterchips, vorzugsweise maximal bei der dreißig-fachen Kantenlänge des beabstandeten
Halbleiterchips. Beispielsweise kann der maximale Abstand folgende Werte aufweisen:
- bei einer Kantenlänge von etwa 0,5 mm, maximal etwa 30 mm, vorzugsweise maximal etwa 15 mm;
- bei einer Kantenlänge von etwa 1 mm, maximal etwa 60 mm, vorzugsweise maximal etwa 30 mm;
- bei einer Kantenlänge von etwa 2 mm, maximal etwa 120 mm, vorzugsweise etwa 60 mm.
Die Einhaltung eines maximalen Abstandes ist vorteilhaft, um die Dimensionen des optoelektronischen Moduls auf eine bestimmte Größe zu begrenzen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die
Strahlungsemissionsfläche des Halbleiterchips in der
Abstrahleinheit und das Austrittsfenster des Wellenleiters aneinander angrenzend oder gar überlappend angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da auf engstem Raum verschiedenfarbiges Licht kombiniert werden kann. Dies kann bei
Projektionsmodulen zum Einsatz kommen. Mit anderen Worten tritt kein dunkler Bereich zwischen der
Strahlungsemissionsfläche des Halbleiterchips und dem
Austrittsfenster des Wellenleiters auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls mit den folgenden Schritten. Zunächst wird ein Träger bereitgestellt. Anschließend werden mindestens zwei Halbleiterchips zur
Emission von elektromagnetischer Strahlung an und/oder in dem Träger angeordnet. Anschließend wird eine Abstrahleinheit zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung aus dem
optoelektronischen Modul auf oder in dem Träger angeordnet. Mindestens einer der Halbleiterchips wird von der
Abstrahleinheit beabstandet angeordnet. Anschließend wird ein Wellenleiter auf und/oder in dem Träger angeordnet. Der
Wellenleiter leitet die elektromagnetische Strahlung des mindestens einen beabstandeten Halbleiterchips zur
Abstrahleinheit. In der Abstrahleinheit wird eine
Auskoppelstruktur zur Auskopplung der elektromagnetischen
Strahlung aus dem Wellenleiter angeordnet. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da damit ein optoelektronisches Modul erzeugt werden kann, in dem die temperaturempfindlichen
Halbleiterchips thermisch von der Abstrahleinheit entkoppelt werden können.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die
Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten.
Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren
Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein.
Figur la zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in Draufsicht; Figur lb zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls aus Figur la in Schnittansicht;
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in Draufsicht;
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in Draufsicht;
Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in Draufsicht;
Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in Draufsicht; Figur 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in Draufsicht;
Figur 7a zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ; Figur 7b zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ; Figur 7c zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ;
Figur 8a zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ;
Figur 8b zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ; Figur 8c zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ;
Figur 8d zeigt ein dreizehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansicht;
Figur 9a zeigt ein vierzehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ;
Figur 9b zeigt ein fünfzehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ;
Figur 9c zeigt ein sechszehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in
Schnittansieht ; Figur 10a zeigt ein siebzehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls in Draufsicht;
Figur 10b zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls aus Figur 10a in Schnittansicht. Figur la zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 202 in
Draufsicht. Auf einem Träger 102 sind zwei Halbleiterchips 104, 106 zur Emission elektromagnetischer Strahlung 108b (in Figur la nicht gezeigt), 108a angeordnet. Auf oder in dem Träger 102 ist eine Abstrahleinheit 110 zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung 109 (in Figur la nicht
dargestellt) aus dem optoelektronischen Modul 202 angeordnet. Der Halbleiterchip 106 ist von der Abstrahleinheit 110 beabstandet. Ein Wellenleiter 112 leitet die
elektromagnetische Strahlung 108a des beabstandeten
Halbleiterchips 106 zur Abstrahleinheit 110. Die
Abstrahleinheit 110 weist eine Auskoppelstruktur 114 zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung 108a aus dem Wellenleiter 112 auf. Die Abstrahleinheit 110 weist einen Halbleiterchip 104 auf. Der Träger 102 weist Silizium oder ein keramisches Material auf. Der Abstand 122 zwischen dem beabstandeten Halbleiterchip 106 und der Abstrahleinheit 110 liegt minimal bei der doppelten Kantenlänge 132 des
beabstandeten Halbleiterchips 106, vorzugsweise minimal bei der dreifachen Kantenlänge 132 des beabstandeten
Halbleiterchips 106. Bei einer Kantenlänge 132 von etwa 1 mm beträgt der Abstand minimal etwa 2 mm, vorzugsweise minimal etwa 3 mm. Der Abstand 122 zwischen dem beabstandeten Halbleiterchip 106 und der Abstrahleinheit 110 liegt maximal bei der
sechzigfachen Kantenlänge 132 des beabstandeten
Halbleiterchips 106, vorzugsweise maximal bei der
dreißigfachen Kantenlänge 132 des beabstandeten
Halbleiterchips 106. Bei einer Kantenlänge 132 von etwa 1 mm beträgt der Abstand 122 maximal etwa 60 mm, vorzugsweise maximal etwa 30 mm. Es ist eine Schnittlinie 130 dargestellt, die das optoelektronische Modul 202 entlang seiner Längsachse mittig durchschneidet. Die Breite des Wellenleiters 112
(gemessen senkrecht zur Schnittlinie 130) beträgt
beispielsweise zwischen dem einfachen und dem dreifachen der Kantenlänge 132 des beabstandeten Halbleiterchips 106. Die Auskoppelstruktur 114 kann beispielsweise eine quadratische oder eine rechteckige Form aufweisen. Die flächige Abmessung der Auskoppelstruktur 114 kann eine Breite und eine Länge von jeweils einer Kantenlänge 132 des beabstandeten
Halbleiterchips 106 bis zu eine Breite und eine Länge von jeweils vier Kantenlängen 132 des beabstandeten
Halbleiterchips 106 aufweisen. Beispielsweise kann die
Auskoppelstruktur 114 eine Breite von 2 und eine Länge von 3 Kantenlängen 132 des beabstandeten Halbleiterchips 106 aufweisen . Figur lb zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls aus Figur la in Schnittansicht entlang der Schnittlinie 130. Der beabstandete Halbleiterchip 106 ist vollständig im Träger 102 vergraben. Als
Einkoppelstruktur 116 ist ein Prisma 116a vorgesehen. Das Prisma 116a koppelt die elektromagnetische Strahlung 108a des beabstandeten Halbleiterchip 106 in den Wellenleiter 112 ein. Der Wellenleiter 112 leitet die elektromagnetische Strahlung 108a zur Auskoppelstruktur 114, die Bestandteil der
Abstrahleinheit 110 ist. Als Auskoppelstruktur 114 ist ein Prisma 114b vorgesehen. In der Abstrahleinheit 110 ist zudem ein Halbleiterchip 104 angeordnet, der elektromagnetische Strahlung 108b emittiert. Aus der Abstrahleinheit 110 wird elektromagnetische Strahlung 109 in Form von Mischlicht emittiert, das das optoelektronische Modul 202 verlässt. Das Mischlicht 109 setzt sich zusammen aus der
elektromagnetischen Strahlung 108a des beabstandeten
Halbleiterchips 106 und aus der elektromagnetischen Strahlung 108b des Halbleiterchips 104 in der Abstrahleinheit 110. Die Einkoppelstruktur 116, der Wellenleiter 112 und die
Auskoppelstruktur 114 sind auf der Oberfläche des Trägers 102 angeordnet. Auch der Halbleiterchip 104 in der
Abstrahleinheit 110 ist auf der Oberfläche des Trägers 102 angeordnet.
Für die Ausführungsbeispiele in Figur la und lb, sowie für alle folgenden Ausführungsbeispiele, gilt, dass sich als beabstandete Halbleiterchips 106 wegen der notwendigen, effizienten Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung 108a in den Wellenleiter 112 Oberflächenemitter besonders gut eignen .
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 204 in
Draufsicht. Es sind zwei von der Abstrahleinheit 110
beabstandete Halbleiterchips 106 vorgesehen. Vorliegend handelt es sich um einen grünen beabstandeten Halbleiterchip 106b und um einen roten beabstandeten Halbleiterchip 106c. Das Licht der beabstandeten Halbleiterchips 106b, 106c wird über je einen Wellenleiter 112 zur Abstrahleinheit 110 geleitet. In der Abstrahleinheit 110 ist kein Halbleiterchip angeordnet. Folglich fällt die Abstrahleinheit 110 mit der Auskoppelstruktur 114 zusammen. Die Abstrahleinheit 110 strahlt das Mischlicht 109 (in Figur 2 nicht dargestellt) aus grünem Licht und rotem Licht aus dem optoelektronischen Modul 204 ab.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 206 in
Draufsicht. Sämtliche Halbleiterchips 106al, 106b, 106c sind von der Abstrahleinheit 110 beabstandet. Es sind je zwei rote beabstandete Halbleiterchips 106c, grüne beabstandete
Halbleiterchips 106b und blaue beabstandete Halbleiterchips 106al vorgesehen. Die elektromagnetische Strahlung 108a aller beabstandeten Halbleiterchips 106al, 106b, 106c wird über Wellenleiter 112 zu einer einzigen Abstrahleinheit 110 geleitet. Ein solches optoelektronische Modul 206 eignet sich für Punktlichtquellen, die Mischlicht 109 (in Figur 3 nicht dargestellt) aus rotem, grünem und blauem Licht, also im Wesentlichen weißes Mischlicht, abstrahlen.
Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 208 in
Draufsicht. Es sind sechs weiße LEDs 107 gezeigt. Die weißen LEDs 107 weisen beabstandete blaue Halbleiterchips 106al auf, die elektromagnetische Strahlung im blauen Spektralbereich emittieren. Ein Teil der blauen Strahlung wird durch
Konvertermaterialien (in der Figur 4 nicht dargestellt) in unmittelbarer Nähe zu den blauen Halbleiterchips 106al in den gelben Spektralbereich konvertiert. Das Mischlicht aus blauem und gelbem Licht kann zu weißem Licht kombiniert werden. Die Abstrahleinheit 110 emittiert als Punktlichtquelle weißes Licht hoher Intensität. Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 210 in
Draufsicht. Als beabstandete Halbleiterchips sind drei
Halbleiterchips 106c vorgesehen, die elektromagnetische
Strahlung 108a im roten Spektralbereich emittieren und ein Halbleiterchip 106b der elektromagnetische Strahlung 108a im grünen Spektralbereich emittiert. Die elektromagnetische Strahlung 108a der beabstandeten Halbleiterchips 106b, 106c wird über Wellenleiter 112 zur zentralen Abstrahleinheit 110 geleitet und über die Auskoppelstruktur 114 aus den
Wellenleitern 112 ausgekoppelt. Innerhalb der Abstrahleinheit 110 sind vier Halbleiterchips 104al angeordnet, die jeweils elektromagnetische Strahlung 108b (in der Figur 5 nicht dargestellt) im blauen Spektralbereich emittieren. Die blauen Halbleiterchips 104al in der Abstrahleinheit 110 können
Saphir-Volumen-Emitter, wie beispielsweise aus der
Patentschrift DE102006015788A1 bekannt, sein. Bevorzugt werden jedoch blaue Oberflächenemitter 104al eingesetzt. Die im blauen und grünen Spektralbereich emittierenden
Halbleiterchips können auf dem AlInGaN-Materialsystem
basieren. Die im roten Spektralbereich emittierenden
Halbleiterchips können auf dem AlInGaP-Materialsystem basieren. Besonders vorteilhaft ist es, die thermisch
besonders empfindlichen AlInGaP-Halbleiterchips 106c von der Abstrahleinheit 110, insbesondere von den vier blauen
Halbleiterchips 104al, entfernt anzuordnen. Durch diese
Beabstandung wird unter anderem verhindert, daß die Effizienz der roten Halbleiterchips 106c negativ beeinflusst wird.
Dieses optoelektronische Modul 210 dient zur Erzeugung von weißem Mischlicht 109 (in der Figur 5 nicht dargestellt).
Figur 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 212 in
Draufsicht. Vier blaue Halbleiterchips 104al und zwei grüne Halbleiterchips 104b sind um die Auskoppelstruktur 114 innerhalb der Abstrahleinheit 110 angeordnet. Ein roter
Halbleiterchip 106c ist von der Abstrahleinheit beabstandet. Dieses optoelektronische Modul 212 dient zur Erzeugung von weißem Mischlicht 109 (in der Figur 6 nicht dargestellt) . Die Schnittansichten in den Figuren 7a, 7b, 8a, 8b und 8c sind entlang der Schnittachse 134 dargestellt.
Figur 7a zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 214 in
Schnittansicht. Der beabstandete rote Halbleiterchip 106c ist vollständig im Träger 102 vergraben. Als Einkoppelstruktur in den Wellenleiter 112 ist ein Prisma 116a vorgesehen. Das Prisma 116a dient zum Umlenken der elektromagnetischen
Strahlung 8a des beabstandeten roten Halbleiterchips 106c. Der Wellenleiter 112 ist auf dem Träger 102 angeordnet. Als Auskoppelstruktur ist ein Prisma 114b vorgesehen. Figur 7b zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 216 in
Schnittansicht. Der beabstandete rote Halbleiterchip 106c ist auf der Seite des Trägers 102 angeordnet, die der Seite mit der Einkoppelstruktur in Form eines Prismas 116a gegenüber liegt. In dem Träger 102 muss eine Ausnehmung vorgesehen sein, durch die die elektromagnetische Strahlung 108a des beabstandeten Halbleiterchip 106c zum Prisma 116a geführt werden kann. Ansonsten entspricht das vorliegende
Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel in Figur 7a. Figur 7c zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 218 in
Schnittansicht. Der beabstandete Halbleiterchip ist ein substratloser blauer Halbleiterchip 106a2. Wegen seiner geringen Höhe über dem Träger 102 von nur etwa 6 m muss der substratlose Halbleiterchip 106a2 nicht in dem Träger 102 vergraben werden. Ansonsten entspricht das vorliegende
Ausführungsbeispiel den Ausführungsbeispielen in Figur 7a und 7b.
Figur 8a zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 220 in
Schnittansicht. Der beabstandete rote Halbleiterchip 106c, das Prisma 116a der Einkoppelstruktur, der Wellenleiter 112 und das Prisma 114b der Auskoppelstruktur sind vollständig im Träger 102 vergraben. Die Prismen 116a, 114b lenken die elektromagnetische Strahlung 108a um. Figur 8b zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 222 in
Schnittansicht. Der beabstandete rote Halbleiterchip 106c ist nicht im Träger 102 vergraben. Der Halbleiterchip 106c ist auf der Oberfläche des Trägers 102 angeordnet, die dem
Wellenleiter 112 gegenüberliegt. Ansonsten entspricht das vorliegende Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel in Figur 8a.
Figur 8c zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 224 in
Schnittansicht. Der beabstandete rote Halbleiterchip 106c ist vollständig im Träger 102 vergraben. Auf eine
Einkoppelstruktur 116 kann verzichtet werden. Der rote
Halbleiterchip 106c ist so im Träger 102 vergraben, dass seine elektromagnetische Strahlung 108a direkt in den
Wellenleiter 112 eingekoppelt werden kann. Ansonsten
entspricht das vorliegende Ausführungsbeispiel den
Ausführungsbeispielen in Figur 8a und 8b.
Figur 8d zeigt ein dreizehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 226 in
Schnittansicht. Der beabstandete blaue Halbleiterchip 106al ist vollständig im Träger 102 vergraben. Auf dem blauen
Halbleiterchip 106al ist als Einkoppelstruktur ein Dünnfilm- Multilayer-Filter 116b aufgebracht. Dieser Filter 116b bewirkt, dass nur elektromagnetische Strahlung 108a mit einem Abstrahlwinkel zur Normalen, der größer als ein kritischer Winkel ao ist, transmittiert wird. Beispielsweise kann durch geeignete Wahl der Anzahl und der Materialien der
Einzelschichten des Filters der kritische Winkel a0 für blaues Licht auf etwa 40° eingestellt werden. Diese
Filtereigenschaft ist besonders vorteilhaft zum Einkoppeln elektromagnetischer Strahlung 108a in den Wellenleiter 112. Die Leuchtdichte im Wellenleiter 112 kann weiter erhöht werden, indem jenes Ende des Wellenleiters 112 mit einem Spiegel 116c versehen wird, das der Auskoppelstruktur 114, insbesondere dem Prisma 114b, gegenüberliegt. Auf ein Prisma 116a zur Einkopplung und Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung 108a kann verzichtet werden.
Figur 9a zeigt ein vierzehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 228 in
Schnittansicht. Der beabstandete rote Halbleiterchip 106c, das Prisma 116a zur Einkopplung der elektromagnetischen
Strahlung 108a in den Wellenleiter 112 und das Prisma 114b zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung 108a aus dem Wellenleiter 112 sind vollständig im Träger 102
vergraben. Zusätzlich zum Prisma 114b weist der Wellenleiter 112 eine Aufrauung 114a an seiner Oberfläche als
Auskoppelstruktur auf. Der Wellenleiter 112 ist nur im
Bereich der Abstrahleinheit 110 aufgeraut. Die Aufrauung 114a kann eine Pyramidenstruktur aufweisen. Die Auskoppelstruktur ist in den Wellenleiter 112 integriert. Figur 9b zeigt ein fünfzehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 230 in
Schnittansicht. Die Auskoppelstruktur im Wellenleiter 112 weist eine Aufrauung 114a und Streupartikel 114c auf. Die Streupartikel 114c sind über den gesamten Querschnitt des Wellenleiter 112 näherungsweise homogen verteilt. Als
Streupartikel 114c können Ti02-Partikel eingesetzt werden. Auf ein Prisma 114b als Auskoppelstruktur kann verzichtet werden. Ansonsten entspricht das vorliegende
Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel in Figur 9a. Figur 9c zeigt ein sechzehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 232 in Schnittansicht. Der beabstandete Halbleiterchip 106al
emittiert elektromagnetische Strahlung 108a im blauen
Spektralbereich. Am Ort der Auskoppelstruktur 114 sind in den Wellenleiter 112 zusätzlich zu den Streupartikeln 114c
Konversionspartikel 120 eingebracht. Diese
Konversionspartikel 120 können einen Teil der
elektromagnetischen Strahlung aus dem blauen Spektralbereich in den gelben Spektralbereich wandeln. Das Mischlicht kann weißes Licht ergeben. Die bei der Wellenlängenkonversion in den Konversionspartikeln 120 entstehende Wärme kann weit entfernt vom beabstandeten Halbleiterchip 106al an die
Umgebung abgegeben werden. Die Effizienz des beabstandeten Halbleiterchips 106al wird dadurch nicht negativ beeinflusst.
Figur 10a zeigt ein siebzehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 234 in
Draufsicht. Als beabstandete Halbleiterchips sind je ein roter Halbleiterchip 106c und ein grüner Halbleiterchip 106b vorgesehen. Die elektromagnetische Strahlung 108a wird zur Auskoppelstruktur 114 geleitet und durch ein Austrittsfenster 126 des Wellenleiters 112 abgestrahlt. In der Abstrahleinheit 110 ist zudem ein blauer substratloser Halbleiterchip 104a2 angeordnet. Das blaue Licht wird durch die
Strahlungsemissionsfläche 124 des blauen substratlosen
Halbleiterchips 104a2 abgestrahlt. Die
Strahlungsemissionsfläche 124 und das Austrittsfenster 126 bilden einen Überlapp 128. In einem nicht gezeigten
Ausführungsbeispiel sind die Strahlungsemissionsfläche 124 und das Austrittsfenster 126 unmittelbar aneinander
angrenzend, jedoch nicht überlappend. Figur 10b zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen optoelektronischen Moduls 234 aus Figur 10a in
Schnittansicht. Im Wesentlichen ist die Abstrahleinheit 110 des optoelektronischen Moduls 234 aus Figur 10a gezeigt. Die Auskoppelstruktur ist ein Prisma 114b. Der Wellenleiter 112 ist in der Abstrahleinheit 110 durch ein lichtdurchlässiges Austrittsfenster 126 bedeckt. Wegen seiner geringen Dicke von nur etwa 6 m kann der substratlose blaue Halbleiterchip 104a2 auf der Oberfläche des Trägers 102 in der
Abstrahleinheit 110 angeordnet werden. Durch den Überlapp 128 der Strahlungsemissionsfläche 124 des blauen Halbleiterchips 104a2 und des Austrittsfenster 126 des Wellenleiters 112 kann von dem optoelektronischen Modul 234 Mischlicht 109
abgestrahlt werden, das sich wegen seiner räumlichen und spektralen Homogenität besonders gut für Projektionszwecke eignet .
Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls ist im Folgenden dargestellt. Zunächst wird ein Träger bereitgestellt. Anschließend werden mindestens zwei Halbleiterchips zur Emission von
elektromagnetischer Strahlung an und/oder in dem Träger angeordnet. Anschließend wird eine Abstrahleinheit zur
Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung aus dem
optoelektronischen Modul auf oder in dem Träger angeordnet. Mindestens einer der Halbleiterchips wird von der
Abstrahleinheit beabstandet angeordnet. Anschließend wird ein Wellenleiter auf und/oder in dem Träger angeordnet. Der
Wellenleiter leitet die elektromagnetische Strahlung des mindestens einen beabstandeten Halbleiterchips zur
Abstrahleinheit. In der Abstrahleinheit wird eine
Auskoppelstruktur zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung aus dem Wellenleiter angeordnet. Das optoelektronische Modul und das Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls wurden zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen
beschränkt. Auch wenn einige Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen
Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte
Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre
realisiert bleibt.
Auch wenn die Schritte des Verfahrens zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben sind, so ist es selbstverständlich, dass jedes der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren in jeder anderen, sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden kann, wobei auch Verfahrensschritte ausgelassen oder hinzugefügt werden können, soweit nicht von dem Grundgedanken der
beschriebenen technischen Lehre abgewichen wird.
Bezugs zeichenliste 102 Träger
104 Halbleiterchip in der Abstrahleinheit 104al blauer Halbleiterchip 104a2 blauer Halbleiterchip, substratlos 104b grüner Halbleiterchip
106 beabstandeter Halbleiterchip 106al blauer Halbleiterchip
106a2 blauer Halbleiterchip, substratlos 106b grüner Halbleiterchip 106c roter Halbleiterchip
107 weiße LED
108a elektromagnetische Strahlung des beabstandeten
Halbleiterchip 106 108b elektromagnetische Strahlung des Halbleiterchip 104 in der Abstrahleinheit 110
109 elektromagnetische Strahlung, Mischlicht
110 Abstrahleinheit 112 Wellenleiter 114 Auskoppelstruktur 114a Aufrauung 114b Prisma 114c Streupartikel 116 Einkoppelstruktur 116a Prisma
116b Dünnfilm-Multilayer-Filter 116c Spiegel
120 Konversionspartikel
122 Abstand des beabstandeten Halbleiterchips (106) zur Abstrahleinheit (110)
124 Strahlungsemissionsfläche des Halbleiterchips 104 126 Austrittsfenster des Wellenleiters 112
128 Überlapp von Strahlungsemissionsfläche 124 und Austrittsfenster 126
130 Schnittlinie
132 Kantenlänge des beabstandeten Halbleiterchip 106 134 Schnittlinie 202
bis optoelektronisches Modul
234 Abstrahlwinkel beim Dünnfilm-Multilayer-Filter 116b cxo kritischer Winkel für die Transmission durch den Dünnfilm-Multilayer-Filter 116b

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Modul (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230, 232, 234) mit:
- einem Träger (102) ,
- mindestens zwei an und/oder in dem Träger (102)
angeordneten Halbleiterchips (104, 104al, 104a2, 104b; 106, 106al, 106a2, 106b, 106c) zur Emission elektromagnetischer Strahlung (108a; 108b),
- einer auf oder in dem Träger (102) angeordneten
Abstrahleinheit (110) zur Abstrahlung elektromagnetischer
Strahlung (109) aus dem optoelektronischen Modul (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230, 232, 234), wobei mindestens einer der Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) von der Abstrahleinheit (110) beabstandet ist, und
- einem Wellenleiter (112) , der die elektromagnetische
Strahlung (108a) des mindestens einen beabstandeten
Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) zur
Abstrahleinheit (110) leitet, wobei die Abstrahleinheit (110) eine Auskoppelstruktur (114, 114a, 114b, 114c) zur
Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung (108) aus dem Wellenleiter (112) aufweist.
2. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 1, wobei die Abstrahleinheit (110) mindestens einen Halbleiterchip (104, 104al, 104a2, 104b) aufweist.
3. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Träger (102) Silizium oder ein keramisches Material aufweist .
4. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei der beabstandete Halbleiterchip (106c) ein AlInGaP -Halbleiterchip ist, der elektromagnetische
Strahlung, insbesondere im roten Spektralbereich, emittiert.
5. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei der Wellenleiter (112) zumindest
bereichsweise im Träger (102) vergraben ist.
6. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei der Wellenleiter (112) zumindest
bereichsweise auf der Oberfläche des Trägers (102) angeordnet ist .
7. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei das optoelektronische Modul eine
Einkoppelstruktur (116, 116a, 116b, 116c), insbesondere ein Prisma (116a) oder einen Dünnfilm-Multilayer-Filter (116b), aufweist, die die elektromagnetische Strahlung (108a) des beabstandeten Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) in den Wellenleiter (112) einkoppelt.
8. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei der beabstandete Halbleiterchip (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) zumindest teilweise im Träger (102) vergraben ist oder auf einer der beiden Deckflächen des
Trägers (102) angeordnet ist.
9. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei die Halbleiterchips (104, 104al, 104a2, 104b; 106, 106al, 106a2, 106b, 106c) als Oberflächenemitter, insbesondere als substratlose Halbleiterchips (104a2, 106a2), ausgebildet sind.
10. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei der Wellenleiter (112) dispergierte
Konversionspartikel (120) aufweist.
11. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei die Auskoppelstruktur (114, 114a, 114b, 114c) eine Aufrauung (114a) der Oberfläche des Wellenleiters (112) aufweist.
12. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei die Auskoppelstruktur (114, 114a, 114b, 114c) ein Prisma (114b) aufweist.
13. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei die Auskoppelstruktur (114, 114a, 114b, 114c) Streupartikel (114c) aufweist.
14. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei die Auskoppelstruktur (114, 114a, 114b, 114c) in den Wellenleiter (112) integriert ist.
15. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei ein Abstand (122) zwischen den beabstandeten Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) und der
Abstrahleinheit (110) minimal bei der doppelten Kantenlänge (132) des beabstandeten Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c), vorzugsweise minimal bei der dreifachen
Kantenlänge (132) des beabstandeten Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) liegt und insbesondere folgende Werte aufweist:
- bei einer Kantenlänge (132) von etwa 0,5 mm, minimal etwa 1 mm, vorzugsweise minimal etwa 1,5 mm;
- bei einer Kantenlänge (132) von etwa 1 mm, minimal etwa 2 mm, vorzugsweise minimal etwa 3 mm;
- bei einer Kantenlänge (132) von etwa 2 mm, minimal etwa 4 mm, vorzugsweise minimal etwa 6 mm.
16. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei ein Abstand (122) zwischen den beabstandeten Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) und der
Abstrahleinheit (110) maximal bei der sechzig-fachen
Kantenlänge (132) des beabstandeten Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c), vorzugsweise maximal bei der dreißig-fachen Kantenlänge (132) des beabstandeten
Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) liegt und insbesondere folgende Werte aufweist:
- bei einer Kantenlänge (132) von etwa 0,5 mm, maximal etwa 30 mm, vorzugsweise maximal etwa 15 mm;
- bei einer Kantenlänge (132) von etwa 1 mm, maximal etwa 60 mm, vorzugsweise maximal etwa 30 mm;
- bei einer Kantenlänge (132) von etwa 2 mm, maximal etwa 120 mm, vorzugsweise etwa 60 mm.
17. Optoelektronisches Modul gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei eine Strahlungsemissionsfläche (124) des Halbleiterchips (104, 104al, 104a2, 104b) in der
Abstrahleinheit (110) und ein Austrittsfenster (126) des Wellenleiters (112) aneinander angrenzend angeordnet sind oder einen Überlapp (128) aufweisen.
18. Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230, 232, 234) mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Trägers (102);
- Anordnen von mindestens zwei Halbleiterchips (104, 104al, 104a2, 104b; 106, 106al, 106a2, 106b, 106c) zur Emission von elektromagnetischer Strahlung (108a, 108b) an und/oder in dem Träger (102);
- Anordnen einer Abstrahleinheit (110) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung (109) aus dem
optoelektronischen Modul (202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228, 230, 232, 234) auf oder in dem Träger (102) , wobei mindestens einer der Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) von der Abstrahleinheit (110) beabstandet ist;
- Anordnen eines Wellenleiters (112) auf und/oder in dem Träger (102), wobei der Wellenleiter (112) die
elektromagnetische Strahlung (108a) des mindestens einen beabstandeten Halbleiterchips (106, 106al, 106a2, 106b, 106c) zur Abstrahleinheit (110) leitet und wobei in der
Abstrahleinheit (110) eine Auskoppelstruktur (114, 114a, 114b, 114c) zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung (108a) aus dem Wellenleiter (112) angeordnet wird.
PCT/EP2013/050478 2012-01-12 2013-01-11 Optoelektronisches modul mit lichtwellenleiter und sein herstellungsverfahren WO2013104751A1 (de)

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US14/370,211 US9356210B2 (en) 2012-01-12 2013-01-11 Optoelectronic module comprising an optical waveguide and method for producing same

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