WO2013117700A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement - Google Patents

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WO2013117700A1
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semiconductor
radiation
reflective
sheath
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Thomas Schlereth
Stephan Kaiser
Alexander Linkov
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component comprising a semiconductor chip and a reflective envelope. Furthermore, the present invention relates to a
  • Some components have a lead frame that is overmolded with a suitable plastic material.
  • Plastic material forms a base housing, which has a cavity in which a semiconductor chip is arranged and electrically contacted.
  • a cavity in which a semiconductor chip is arranged and electrically contacted.
  • the semiconductor chip in the cavity usually emits both forward, sideways and backward radiation. In these components, despite the oblique Kavticiansinnen vom sideways or backward emitted light of the semiconductor chip at least partially from
  • Component height is feasible.
  • This object is achieved by a semiconductor device having the features of claim 1. Furthermore, this object is achieved by an arrangement comprising a plurality of such
  • Opto-electronic semiconductor device at least one
  • the semiconductor chip has a
  • Radiation passage surface opposite mounting surface.
  • the mounting surface has a first electrical
  • the radiation passage area is free of contact structures, for example.
  • the semiconductor component further has a reflective envelope, which at least partially surrounds the at least one semiconductor chip.
  • the semiconductor device has a
  • Shielding on which encloses the at least one semiconductor chip and / or the reflective sheath at least partially.
  • the radiation passage area is that area through which a large part of the generated radiation emerges or enters during operation of the semiconductor chip
  • At least 50%, in particular at least 75%, of the respective radiation pass through the
  • the sideward and backward emitted light of the semiconductor chip can thus not from a housing body, for example, in the
  • the optoelectronic semiconductor component has for mounting and electrical contacting of the semiconductor chip to
  • Example a housing body with a cavity or a lead frame, a so-called leadframe on.
  • connection carrier comprises, for example, an electrically insulating basic body, on and / or in the contact structures for contacting the
  • the basic body can, for example, with a ceramic material or with a
  • connection carrier can also be formed flat and cavity-free.
  • the contact structures may be designed to be absorbent. For example, such contact structures for
  • Terminal carrier are emitted are scattered or reflected in particular on the reflective sheath in the forward direction and thus contribute their share of the
  • Radiation passage area is free of contact structures.
  • the semiconductor chip is therefore a so-called flip-chip, the electrical contacting takes place only from one side of the semiconductor chip. As a result, has the
  • Luminous efficacy in particular the forward luminous flux of
  • the protective sheath is preferably used for mechanical
  • the semiconductor device is an optoelectronic
  • the semiconductor device has an optoelectronic
  • the semiconductor chip is preferably an LED (light-emitting diode), particularly preferably a flip-chip LED.
  • the semiconductor chip has a semiconductor layer stack in which an active layer is contained.
  • the active layer preferably contains a pn junction, a
  • Double heterostructure a single quantum well structure (SQW, Single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • SQL single quantum well structure
  • MQW multiple quantum well structure
  • the semiconductor layer stack of the semiconductor chip preferably contains a III / V semiconductor material. III / V semiconductor materials are used for radiation generation in the
  • ultraviolet particularly suitable over the visible to the infrared spectral range.
  • the semiconductor chip is partially enveloped by the reflective envelope.
  • the protective sheath for example, envelops the semiconductor chip or the reflective sheath in regions. Under an enclosure is within the meaning of the present application
  • the respective envelope surrounds, surrounds and / or surrounds the component to be enveloped and is thus arranged around this enveloping component.
  • a distance can be arranged between the casing and the component to be wrapped.
  • the reflective sheath envelops the
  • Semiconductor chip at least partially in direct contact. Accordingly, no distance is arranged between the reflective envelope and the semiconductor chip. For example, stand
  • the protective sheath preferably at least encloses the reflective sheath and / or the semiconductor chip
  • Shelter a distance is arranged.
  • this distance is free of material or may include another additional material, such as a converter potting.
  • the protective sheath is arranged in direct contact with the reflective sheath. Accordingly, no distance is arranged between the reflective covering and the protective covering.
  • the semiconductor chip is a volume emitter and the semiconductor component is a surface emitter by the reflective envelope.
  • volume emitter is to be understood in particular that the
  • surface emitter is to be understood as meaning that this emitter decouples the largest portion of the emitted radiation at the radiation passage area, so that little or no radiation emerges from the emitter on the side of the emitter.
  • the volume-emitting properties of the semiconductor chip are converted in the present case by the reflective sheath into surface-emitting properties. This is particularly preferably done with a reflective
  • Radiation passage surface of the semiconductor chip formed is.
  • the reflective envelope extends at most up to an upper chip edge of the
  • Semiconductor device can follow-up processes and concepts of a typical surface emitter are applied to the device, such as layer transfer for applying a converter material on the semiconductor chip.
  • alternative conversion techniques such as sedimentation, thin volume casting, EPD or spray coating can be very easily applied to such surface emitter.
  • Semiconductor device can also be ensured with advantage an efficient light coupling into optical elements, such as waveguides. These are simple designs for lighting applications and
  • the component due to the strong forward radiation and low component height without further lenses close to a waveguide are mounted, whereby the emission surface of the device is arranged close to the coupling surface of the optical element.
  • the incidence of light at a small angle to the surface normal of the coupling surface of the waveguide causes little
  • Component is already ensured by the protective sheath.
  • Semiconductor component is on the mounting surface, a region between the first electrical contact structure and the second electrical contact structure free of material of the reflective envelope.
  • the semiconductor component is on the mounting surface, a region between the first electrical contact structure and the second electrical contact structure free of material of the reflective envelope.
  • Mounting surface arranged the first electrical contact at a distance from the second electrical contact. This distance is preferably free of material of the reflective envelope and in particular ensures electrical insulation of the first electrical
  • a reflective sheath is not necessary in this area because of the semiconductor chip in the direction of
  • Mounting surface emitted radiation would only be reflected back into the semiconductor chip and would be absorbed there by the semiconductor chip. This radiation component would therefore not contribute to the light emission from the component. Thereby, the area on the mounting surface can be recessed with material of the reflective envelope, whereby a total of less material of the reflective
  • the reflective sheath contains light-scattering and / or light-reflecting particles. These particles are particularly suitable, that of the
  • reflective envelope a filled with light-scattering and / or light-reflecting particles silicone.
  • silicone are in particular the light-scattering or
  • the particles are homogeneously incorporated in the silicone, so that a homogeneous deflection of the laterally or rearwardly of the silicone
  • Semiconductor chip emitted radiation occurs in the forward direction.
  • the envelope contains color pigments, so that the envelope reflects radiation, but appears black or colored.
  • the protective enclosure is for the radiation emitted by the semiconductor chip
  • Radiation passes through without interference by the protective sheath, preferably at least 80% of the radiation
  • Conversion element arranged, which is adapted to at least partially convert the radiation emitted by the semiconductor chip into radiation of a different wavelength.
  • the conversion element is for example a
  • the conversion plate of the radiation passage area is directly downstream.
  • the radiation passage area of the semiconductor chip can be arranged downstream of the conversion element by means of a sedimentation process. In this case is right on the
  • the radiation passage area be arranged downstream of the conversion element by means of a thin volume Vergusses.
  • the conversion element can be arranged on the radiation passage area of the semiconductor chip by means of an EPD method (electrophoretic method) or by means of a spray coating method.
  • Semiconductor device are the semiconductor chip and the
  • Carrier substrate arranged, wherein the reflective sheath is bounded by a peripheral edge of the semiconductor chip.
  • the reflective envelope is formed, for example, by a potting, wherein the circumferential border forms a potting stop edge for the spatial delimitation of the potting on the planar carrier substrate.
  • the encircling border is preferably arranged in a continuous manner at a distance around the semiconductor chip on the carrier substrate, so that the reflective encasing formed as encapsulation is completely delimited by the encapsulation stop edge.
  • the reflective envelope extends from the carrier substrate to
  • the obliquely extending surface is not adjacent to the semiconductor chip, but is away from it.
  • the surface may be at an angle greater than zero and less than 90 ° to the carrier substrate run.
  • at least one surface is curved.
  • Semiconductor device is the semiconductor chip in
  • the optical element is, for example, a waveguide into which the radiation emitted by the device through the
  • an arrangement has a plurality of semiconductor components which are arranged on a common carrier substrate.
  • Semiconductor components are preferably arranged adjacent to one another on the carrier substrate.
  • the semiconductor devices are like a matrix on the carrier substrate.
  • Grid points of a regular grid can be arranged.
  • the arrangement can be used as a display for displaying images
  • the arrangement serves for the backlighting of an imaging element, such as an LCD panel.
  • the arrangement can be used as a lighting device, for example in general lighting.
  • Figures 1A to 2B are each a schematic section
  • FIGS. 3A to 3D each show a schematic cross section of an exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • Figures 4A and 4B are each a schematic view of a
  • Figure 5 is a schematic cross section of a
  • Figures 6A and 6B are each a schematic view of one
  • the semiconductor device shown, which is not yet completed.
  • the semiconductor device has a
  • Radiation-emitting semiconductor chip 1 which has a
  • Radiation passage surface 10 includes. On the opposite side of the semiconductor chip 1 from the radiation passage surface 10, a mounting surface 11 is formed, by means of which the semiconductor chip 1 is electrically and mechanically contacted.
  • the mounting surface 11 has a first electrical contact structure 2a and a second
  • Contact structures 2a, 2b are electrically insulated from one another by means of a distance. With the first electrical contact structure 2a, the semiconductor chip is on a first metal contact 3a and with the second electrical
  • the semiconductor chip 1 is thus only of the
  • the radiation passage area 10 is free of contact structures.
  • the radiation passage area 10 is therefore not covered by absorbing contact structures, which leads to a loss of efficiency of the exit radiation from the
  • the semiconductor chip 1 is formed as a so-called flip-chip.
  • the semiconductor chip 1 has a semiconductor layer stack, in particular epitaxially deposited layers, which have been grown, for example, on a growth substrate of the semiconductor chip 1.
  • the growth substrate can after the growth of the layers at least partially or even completely of the semiconductor layers of the
  • the semiconductor chip 1 can thus be formed as a thin-film chip. That is, the semiconductor chip 1 is free from, for example, one
  • the semiconductor chip 1 may comprise a carrier, is attached to the epitaxially grown layer stack. Between the carrier and the layer stack, a reflective layer, for example of silver, may be arranged.
  • the semiconductor chip 1 is a volume emitter. This means that the radiation emitted in an active layer of the semiconductor chip 1 emanates from this to all sides of the semiconductor chip 1. In particular, a portion of the radiation emitted in the active layer also emerges on side surfaces of the semiconductor chip 1. Such side and also
  • a reflective envelope is provided, which surrounds the semiconductor chip 1 at least in regions (not shown).
  • the reflective envelope is shown and explained in more detail in the following FIGS. 2A to 6B.
  • the semiconductor device according to the invention further comprises a protective sheath, which at least partially surrounds the semiconductor chip 1 and / or the reflective sheath (not shown). The protective covering will be described in more detail in the following FIGS. 3A to 3D.
  • the first electrical contact structure 2 a and the second electrical contact structure 2 b of the semiconductor chip 1 may be contact layers containing, for example, gold.
  • the contact structures 2a, 2b are solder layers and / or intermediate gold layers.
  • FIG. 1B shows in more detail the volume emission of the semiconductor chip 1 of the exemplary embodiment of FIG. 1A.
  • the radiation emission is in particular by means of arrows S
  • Semiconductor chips emitted radiation S occurs both at the radiation passage area 10 as well as at the
  • the volume emitter emits both forward, as well as sideways and backward directed radiation.
  • the backward radiation hits on the
  • Metal contacts 3a, 3b of the carrier substrate 4 can be adversely absorbed there, so that these rays do not contribute to the forward emission of the semiconductor device.
  • Embodiment of the figure IC is shown.
  • the exemplary embodiment of FIG. 1C differs from the exemplary embodiment of FIG. 1B in that the reflective envelope 5 partially envelopes the semiconductor chip 1.
  • the semiconductor chip 1 is potted with the reflective envelope up to the chip top edge.
  • a surface of the reflective sheath 5, which faces away from the semiconductor chip 1 extends from the carrier substrate 4 to the chip top edge and extends obliquely to the carrier substrate 4. In particular, all extend
  • Semiconductor chips 1 are deflected in the reflective envelope 5 in the direction of the radiation passage area 10. This suppresses the side and rear emission and increases the forward emission Sy. At the same time, the absorption effects on the metal contacts 3 a, 3 b of the carrier substrate 4 can be achieved by the reflective envelope 5
  • Radiation passage area 10 of the semiconductor chip 1 scattered or reflected.
  • the semiconductor component is thus formed overall as a surface emitter due to the reflective envelope 5. This means that the largest portion of the active layer of the semiconductor chip 1 emitted radiation from the radiation passage area 10 emerges.
  • the reflective envelope 5 contains light-scattering
  • the reflective enclosure contains 5 _ Ti02 particles BaSOz particles ZnO particles, Al x O y particles and / or ZrC> 2 particles.
  • the reflective sheath 5 is a silicone filled with these light-scattering and / or light-reflecting particles.
  • a semiconductor chip 1 is shown, which is not formed as a flip-chip. This semiconductor chip 1 has in particular at the
  • Radiation passage surface 10 electrical contact structures, which are electrically connected, for example by means of a bonding wire 3b with the metal contacts 3a of the support substrate 4.
  • FIG. 2A shows a semiconductor component which, in contrast to that shown in FIG.
  • Embodiment has a reflective sheath 5, which does not extend to the chip top edge.
  • Emission or at least the reverse emission of the semiconductor chip 1 is deflected in the direction of the radiation passage area, so that the total forward emission of the device
  • Radiation passage area 10 are deflected so that the best possible forward emission can be guaranteed.
  • the semiconductor chip 1 and the reflective cladding 5 in the following embodiments correspond to the semiconductor chip 1 and the reflective cladding 5 of the preceding embodiments.
  • the semiconductor chip 1 and the reflective envelope 5 are cast by means of a conversion element 9a.
  • Conversion element 9a is a Volumenverguss containing a converter material.
  • the converter material is
  • the conversion element 9a is among others the
  • Wavelength is converted.
  • the semiconductor component accordingly emits mixed radiation of the total of the
  • Conversion element 9a converted radiation.
  • the device emits white radiation as a whole.
  • the conversion element 9a is the protective sheath 8
  • the protective sheath is preferably
  • the of the semiconductor chip 1 and of The radiation emitted to the conversion element 9a preferably occurs without being influenced by the protective enclosure.
  • the protective sheath 8 is preferably designed as a potting and serves in particular the mechanical stabilization of the device as a whole. A separate and further protective housing is thereby advantageously not needed, which reduces the overall cost and light losses and increases the reliability of the device.
  • Conversion element 9a is not designed as Volumenverguss, but only attached to the radiation passage area 10 and applied as a conversion layer. The conversion element 9a is therefore much smaller
  • the conversion element is a separate conversion plate, which has been applied to the semiconductor chip 1, for example by means of a layer transfer.
  • the conversion element 9a remains uncovered by the reflective envelope 5.
  • the protective sheath 8 sheds in the present case both the
  • the protective sheath 8 serves for mechanical
  • Conversion element 9a not as a converter plate is trained, but one on the
  • deposited converter layer is, for example
  • Conversion element 9a formed as an envelope of the semiconductor chip 1 including the reflective sheath 5.
  • An envelope formed in this way is produced, for example, by sedimentation or spray coating.
  • Conversion element 9a is in turn encapsulated by the protective sheath 8 and mechanically stabilized.
  • the embodiment of Figure 4A differs from the previous embodiments, characterized in that the reflective sheath 5 is bounded by a circumferential edge 7 of the semiconductor chip 1.
  • the border 7 is, for example, a Vergussstoppkante which delimits the formed as a potting reflective sheath 5 spatially. This is particularly advantageous when using a planar and planar carrier substrate 4.
  • the semiconductor chip 1 facing the inner edge of the border 7 act as Vergussstoppkante.
  • the border 7 remains free of the envelope 5.
  • the envelope 5 'then also covers the border 7. This may prove to be advantageous if the border 7
  • FIG. 4B shows a plan view of the embodiment of FIG. 4A.
  • the semiconductor component of FIG. 4B shown on the left has the peripheral part of the semiconductor chip Outline 7, in particular without interruption
  • the semiconductor chip 1 is on the
  • Metal contacts 3a, 3b wherein the semiconductor chip 1 and the metal contacts 3a, 3b completely within the
  • Outline 7 are arranged.
  • the border 7 is at a distance from the metal contacts 3a, 3b and to the
  • Semiconductor chip 1 is formed and preferably has the shape of a cuboid or a rectangle. But there are also alternative forms such as circular, oval or any other configurations conceivable.
  • the right-hand device of Figure 4B has the protective sheath 8, which on the reflective sheath and the
  • the protective sheath 8 covers the semiconductor chip 1 and the metal contacts 3 a, 3 b completely and is spatially surrounded by the border 7
  • the protective sheath 8 also in plan a rectangular or cuboidal training. But there are also alternative forms such as circular, oval or any other configurations conceivable.
  • the optical element 9b is, for example, a waveguide in which those of the
  • Semiconductor device emitted radiation is coupled.
  • Waveguide is used for example for lighting and / or backlighting applications. In this case, due to the low component height with advantage of the waveguide
  • Semiconductor chips may be arranged. This can be beneficial an efficient light coupling into the waveguide
  • FIGS. 6A and 6B an arrangement is shown which has a plurality of arranged on a common carrier substrate 4
  • Semiconductor devices 100 has.
  • the components 100 are formed according to one of the preceding embodiments.
  • the arrangement of the embodiment of Figure 6A has linearly arranged semiconductor devices.
  • Semiconductor devices 100 are in particular arranged side by side on the planar carrier substrate 4.
  • the semiconductor components 100 preferably each have a in
  • the exemplary embodiment of FIG. 6B has an arrangement in which the semiconductor components 100 are arranged in a matrix-like manner on the preferably planar carrier substrate 4. It is not absolutely necessary that the arrangement is formed flat overall flat. In particular, that can
  • Carrier substrate 4 also have a curved surface.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features, which in particular any combination of features in the

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Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement (100) angegeben, das zumindest einen Halbleiterchip (1) aufweist, der eine Strahlungsdurchtrittsfläche (10) und eine der Strahlungsdurchtrittsfläche (10) gegenüberliegende Montagefläche (11) aufweist. Die Montagefläche (11) weist eine erste elektrische Kontaktstruktur (2a) und eine von der ersten elektrischen Kontaktstruktur elektrisch isolierte zweite elektrische Kontaktstruktur (2b) auf. Die Strahlungsdurchtrittsfläche (10) ist frei von Kontaktstrukturen. Eine reflektierende Umhüllung, die den Halbleiterchip (1) bereichsweise umhüllt, und eine Schutzumhüllung (8), die den Halbleiterchip (1) und/oder die reflektierende Umhüllung (5) zumindest bereichsweise umhüllt, sind vorgesehen. Zudem ist eine Anordnung mit einer Mehrzahl derartiger Halbleiterbauelemente (100) angegeben.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Halbleiterbauelement
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, das einen Halbleiterchip und eine reflektierende Umhüllung umfasst. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine
Anordnung mit einer Mehrzahl derartiger
Halbleiterbauelemente.
Das Dokument EP 2 216 834 AI beschreibt ein
optoelektronisches Halbleiterbauelement . Manche Bauelemente weisen einen Leiterrahmen auf, der mit einem geeigneten Kunststoffmaterial umspritzt ist. Das
Kunststoffmaterial bildet ein Grundgehäuse, das eine Kavität aufweist, in dem ein Halbleiterchip angeordnet und elektrisch kontaktiert ist. Um bei derartigen Bauelementen den externen Wirkungsgrad zu erhöhen, ist es üblich, die Kavität mit schrägen Innenflächen auszubilden, sodass diese als Reflektor dienen. Der Halbleiterchip in der Kavität emittiert meist sowohl vorwärts, seitwärts als auch rückwärts gerichtete Strahlung. Bei diesen Bauelementen wird trotz der schrägen Kavitätsinnenflächen seitwärts oder rückwärts emittiertes Licht des Halbleiterchips zumindest teilweise vom
Grundgehäuse absorbiert, sodass dieser Lichtanteil nachteilig nicht zum Vorwärtslichtstrom des Bauelements beiträgt. Zudem können bei manchen Bauelementen Absorptionsverluste der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung an
absorbierenden Kontaktstrukturen auftreten, die
beispielsweise an einer Strahlungsdurchtrittsseite des Halbleiterchips angeordnet sind. Aufgrund der Eigenschaften des Halbleiterchips als Volumenemitter ist mit derartigen Bauelementen zudem eine effiziente Lichteinkopplung in optische Elemente wie beispielsweise in Wellenleiter nur schwer umsetzbar.
Um diesen Nachteilen zumindest teilweise entgegenzutreten, ist es möglich, ein möglichst reflektierendes Gehäusematerial zu verwenden. Manche reflektierende Gehäusematerialien weisen jedoch meist nachteilige Eigenschaften wie beispielsweise eine geringe thermische Leitfähigkeit auf. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, zur Rückgewinnung von in
Rückwärtsrichtung emittiertem Licht großflächige
Kontaktflächen aus beispielsweise Silber zu verwenden.
Hierbei können jedoch Abschattungseffekte auftreten, sodass auch so kein optimaler Vorwärtslichtstrom erzielt werden kann .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein
optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das sich durch einen erhöhten Vorwärtslichtstrom auszeichnet und gleichzeitig eine effiziente Lichteinkopplung in optische Elemente ermöglicht, wobei zudem eine lediglich geringe
Bauelementhöhe realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird diese Aufgabe durch eine Anordnung umfassend eine Mehrzahl derartiger
Halbleiterbauelemente mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des
Halbleiterbauelements und der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein
optoelektronisches Halbleiterbauelement zumindest einen
Strahlungsemittierenden und/oder Strahlungsempfangenden
Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip weist eine
Strahlungsdurchtrittsfläche und eine der
Strahlungsdurchtrittsfläche gegenüberliegende Montagefläche auf. Die Montagefläche weist eine erste elektrische
Kontaktstruktur und eine von der ersten elektrischen
Kontaktstruktur elektrisch isolierte zweite elektrische
Kontaktstruktur auf. Die Strahlungsdurchtrittsfläche ist zum Beispiel frei von Kontaktstrukturen. Das Halbleiterbauelement weist weiter eine reflektierende Umhüllung auf, die den zumindest einen Halbleiterchip zumindest bereichsweise umhüllt. Zudem weist das Halbleiterbauelement eine
Schutzumhüllung auf, die den zumindest einen Halbleiterchip und/oder die reflektierende Umhüllung zumindest bereichsweise umhüllt .
Bei der Strahlungsdurchtrittsfläche handelt es sich um diejenige Fläche, durch die im Betrieb des Halbleiterchips ein Großteil der erzeugten Strahlung austritt oder ein
Großteil der zu detektierenden Strahlung eintritt. Zum
Beispiel treten wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 75 %, der jeweiligen Strahlung durch die
Strahlungsdurchtrittsfläche .
Durch die bereichsweise Umhüllung des Halbleiterchips mit der reflektierenden Umhüllung erfolgt eine Änderung, insbesondere eine Erhöhung der Reflektivität der direkten Umgebung des Halbleiterchips. Insbesondere erfolgt durch die
reflektierende Umhüllung eine Unterdrückung der Seiten- und Rückwärtsemission des Halbleiterchips. Das seitwärts und rückwärts emittierte Licht des Halbleiterchips kann somit nicht von einem Gehäusekörper, der beispielsweise im
Anschluss an die reflektierende Umhüllung angeordnet ist, absorbiert werden. Dieses Licht wird mit Vorteil zum Teil in Vorwärtsrichtung des Bauelements gestreut oder reflektiert und erhöht damit den Vorwärtslichtstrom. Darüber hinaus wird durch die reflektierende Umhüllung die Reflektivität des gesamten Bauelements erhöht, wodurch Absorptionsverluste reduziert werden können, da rückgestreutes Licht durch die Vorwärtsrichtung erneut zur Verfügung gestellt wird.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement weist zur Montage und elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips zum
Beispiel einen Gehäusekörper mit einer Kavität oder einen Leiterrahmen, einen so genannten Leadframe, auf. Zur
elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips weist die
Kavität oder der Leadframe auf der Montageseite elektrische Kontaktstrukturen auf. Alternativ ist es möglich, dass das optoelektronische Halbleiterbauelement zur Montage und elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips einen
Anschlussträger aufweist. Der Anschlussträger umfasst zum Beispiel einen elektrisch isolierenden Grundkörper, auf und/oder in dem Kontaktstrukturen zur Kontaktierung des
Halbleiterchips vorhanden sind. Der Grundkörper kann zum Beispiel mit einem keramischen Material oder mit einem
Kunststoff gebildet sein. Der Anschlussträger kann dabei auch eben und kavitätsfrei ausgebildet sein.
Die Kontaktstrukturen können absorbierend ausgebildet sein. Beispielsweise weisen derartige Kontaktstrukturen zur
Kontaktierung oder Wärmespreizung als Material Gold (Au) auf. Durch die reflektierende Umhüllung erfolgt mit Vorteil eine Abdeckung der Kontaktstrukturen, zum Beispiel der Kavität, insbesondere der Montageseite, oder des Leadframes, sodass die absorbierenden Kontaktstrukturen mit Material der
reflektierenden Umhüllung bedeckt sind. Dadurch können
Absorptionsverluste an diesen Kontaktstrukturen vermieden oder zumindest reduziert werden. Strahlung, die von dem
Halbleiterchip in Richtung Kontaktstrukturen des
Gehäusekörpers oder des Leiterrahmens oder des
Anschlussträgers emittiert werden, werden insbesondere an der reflektierenden Umhüllung in Vorwärtsrichtung gestreut oder reflektiert und tragen so ihren Anteil an dem
Vorwärtslichtstrom des Halbleiterbauelements bei. Der
Halbleiterchip weist lediglich auf der Montagefläche
elektrische Kontaktstrukturen auf. Die
Strahlungsdurchtrittsfläche ist frei von Kontaktstrukturen. Der Halbleiterchip ist demnach ein so genannter Flip-Chip, dessen elektrische Kontaktierung lediglich von einer Seite des Halbleiterchips erfolgt. Dadurch besitzt der
Halbleiterchip vorzugsweise keine absorbierenden
Kontaktstrukturen oder StromaufWeitungsschichten auf der Strahlungsdurchtrittsseite, durch welche das vorwärts gestreute Licht des Halbleiterchips zumindest teilweise absorbiert werden könnte. Absorptionsverluste an derartigen, an der Strahlungsdurchtrittsfläche angeordneten
StromaufWeitungsschichten und/oder Kontaktschichten werden somit vorliegend vermieden, sodass sich weiter die
Lichtausbeute, insbesondere der Vorwärtslichtstrom des
Halbleiterbauelements erhöht.
Durch den Halbleiterchip mit einseitiger elektrischer
Kontaktierung kann weiter mit Vorteil die Bauelementhöhe insgesamt verringert werden. Insbesondere wird durch die nichtvorhandene Drahtkontaktierung die Höhe der
reflektierenden Umhüllung deutlich herabgesetzt. Insgesamt kann so ein Bauelement realisiert werden, das sich durch eine geringe Höhe und eine erhöhte Lichtausbeute in
Vorwärtsrichtung auszeichnet.
Die Schutzumhüllung dient vorzugsweise zur mechanischen
Stabilisierung des Bauelements. Dadurch ist ein separates schützendes Gehäuse vorzugsweise nicht notwendig, wodurch sich mit Vorteil die Kosten eines derartigen Bauelements verringern. Zudem verringern sich die Lichtverluste, da
Absorptionsverluste an einem separaten schützenden Gehäuse vermieden werden. Bauelemente mit einer derartigen mechanisch stabilisierenden Schutzumhüllung zeichnen sich zudem
vorteilhafterweise durch eine hohe Zuverlässigkeit aus.
Das Halbleiterbauelement ist ein optoelektronisches
Bauelement, das die Umwandlung von elektrisch erzeugten Daten oder Energien in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Das Halbleiterbauelement weist einen optoelektronischen
Halbleiterchip auf, vorzugsweise einen
Strahlungsemittierenden Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist bevorzugt eine LED (lichtemittierende Diode) , besonders bevorzugt eine Flip-Chip-LED.
Der Halbleiterchip weist einen Halbleiterschichtenstapel auf, in dem eine aktive Schicht enthalten ist. Die aktive Schicht enthält vorzugsweise einen pn-Übergang, eine
Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW, Single quantum well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung. Die
Bezeichnung Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine
Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Der Halbleiterschichtenstapel des Halbleiterchips enthält vorzugsweise ein I I I /V-Halbleitermaterial . III/V- Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im
ultravioletten, über den sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich besonders geeignet.
Einzelne Komponenten des Halbleiterbauelements werden
zumindest bereichsweise von weiteren Komponenten des
Bauelements umhüllt. Beispielsweise wird der Halbleiterchip von der reflektierenden Umhüllung bereichsweise umhüllt. Die Schutzumhüllung umhüllt beispielsweise den Halbleiterchip oder die reflektierende Umhüllung bereichsweise. Unter einer Umhüllung ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung
insbesondere zu verstehen, dass die jeweilige Umhüllung die zu umhüllende Komponente umrundet, umgibt und/oder umrandet und somit um diese umhüllende Komponente angeordnet ist.
Dabei kann zwischen der Umhüllung und der zu umhüllenden Komponente ein Abstand angeordnet sein. Bei der Umhüllung ist es also nicht zwingend erforderlich, dass die jeweilige
Umhüllung direkt an die zu umhüllende Komponente angrenzt.
Vorzugsweise umhüllt die reflektierende Umhüllung den
Halbleiterchip zumindest bereichsweise in direktem Kontakt. Zwischen der reflektierenden Umhüllung und dem Halbleiterchip ist demnach kein Abstand angeordnet. Beispielsweise stehen
Seitenflächen des Halbleiterchips in direktem Kontakt mit der reflektierenden Umhüllung. Die Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterchips muss dabei nicht zwangsläufig von der reflektierenden Umhüllung umschlossen sein.
Die Schutzumhüllung umhüllt die reflektierende Umhüllung und/oder den Halbleiterchip vorzugsweise zumindest
bereichsweise in einem Abstand. Das bedeutet, dass zwischen reflektierender Umhüllung und/oder Halbleiterchip und
Schutzumhüllung ein Abstand angeordnet ist. Dieser Abstand ist beispielsweise frei von Material oder kann ein weiteres zusätzliches Material, beispielsweise einen Konverterverguss , enthalten.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Schutzumhüllung in direktem Kontakt zur reflektierenden Umhüllung angeordnet. Zwischen reflektierender Umhüllung und Schutzumhüllung ist demnach kein Abstand angeordnet. An der
Strahlungsdurchtrittsflache des Halbleiterchips kann die Schutzumhüllung dabei in direktem Kontakt mit dem
Halbleiterchip stehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip ein Volumenemitter und das Halbleiterbauelement durch die reflektierende Umhüllung ein Oberflächenemitter. Unter
Volumenemitter ist insbesondere zu verstehen, dass der
Halbleiterchip nicht lediglich Strahlung an der
Strahlungsdurchtrittsfläche aus dem Chip emittiert, sondern dass anteilig Strahlung auch an den Seitenflächen des
Halbleiterchips aus diesem austreten kann. Unter einem
Oberflächenemitter dagegen ist zu verstehen, dass dieser Emitter den größten Anteil der emittierten Strahlung an der Strahlungsdurchtrittsfläche auskoppelt, sodass seitlich des Emitters kaum oder keine Strahlung aus dem Emitter austritt.
Die volumenemittierenden Eigenschaften des Halbleiterchips werden vorliegend durch die reflektierende Umhüllung in oberflächenemittierende Eigenschaften überführt. Dies erfolgt insbesondere vorzugsweise mit einer reflektierenden
Umhüllung, die bis zu einer oberen Chipkante an der
Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterchips ausgebildet ist. Besonders bevorzugt erstreckt sich die reflektierende Umhüllung höchstens bis zu einer oberen Chipkante des
Halbleiterchips. Dadurch erfolgt eine Unterdrückung der
Seiten- und Rückwärtsemission des Halbleiterchips. Dieser Anteil der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung wird zum Teil in Vorwärtsrichtung reflektiert oder gestreut und erhöht so den Vorwärtslichtstrom. Die Strahlung tritt dabei wie bei einem Flächenemitter nur aus der Chipoberseite, also aus der Strahlungsdurchtrittsfläche, aus. Die
Strahlungsemission ist so insgesamt stark vorwärtsgerichtet. Dies führt zu einem deutlichen Effizienzvorteil im Vergleich zu einem Bauelement mit volumenemittierenden Eigenschaften. Eine Effizienzerhöhung der Strahlung von bis zu 10 % kann dadurch sowie durch die Unterdrückung der Absorption an
Kontaktstrukturen vorteilhafterweise erzielt werden.
Aufgrund der oberflächenemittierenden Eigenschaften des
Halbleiterbauelements können Folgeprozesse und Konzepte eines typischen Oberflächenemitters auf das Bauelement angewendet werden, wie beispielsweise Layertransfer zum Aufbringen eines Konvertermaterials auf dem Halbleiterchip. Zudem lassen sich auch alternative Konversionstechniken wie beispielsweise Sedimentation, dünner Volumenverguss , EPD oder Spraycoating sehr leicht auf derartige Oberflächenemitter anwenden.
Aufgrund der oberflächenemittierenden Eigenschaften des
Halbleiterbauelements kann zudem mit Vorteil eine effiziente Lichteinkopplung in optische Elemente, wie beispielsweise Wellenleiter, gewährleistet werden. Hierzu sind einfache Konstruktionen für Beleuchtungsanwendungen und
Hinterleuchtungsanwendungen möglich. Insbesondere kann das Bauelement aufgrund der stark vorwärtsgerichteten Strahlung und der geringen Bauelementhöhe ohne weitere Linsen nahe an einen Wellenleiter angebracht werden, wodurch die Emissionsfläche des Bauelements nah an der Einkoppelfläche des optischen Elements angeordnet ist. Zusätzlich bewirkt der Lichteinfall unter kleinem Winkel zur Oberflächennormalen der Einkopplungsfläche des Wellenleiters geringe
Rückstreuungseffekte durch Totalreflexion.
Ein zusätzliches Gehäuse muss hierbei mit Vorteil nicht verwendet werden, da die mechanische Stabilität des
Bauelements bereits durch die Schutzumhüllung sichergestellt ist .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements ist an der Montagefläche ein Bereich zwischen der ersten elektrischen Kontaktstruktur und der zweiten elektrischen Kontaktstruktur frei von Material der reflektierenden Umhüllung. Vorzugsweise ist an der
Montagefläche die erste elektrische Kontaktierung in einem Abstand zur zweiten elektrischen Kontaktierung angeordnet. Dieser Abstand ist dabei vorzugsweise frei von Material der reflektierenden Umhüllung und gewährleistet insbesondere eine elektrische Isolierung der ersten elektrischen
Kontaktstruktur zur zweiten elektrischen Kontaktstruktur. Eine reflektierende Umhüllung ist in diesem Bereich nicht notwendig, da von dem Halbleiterchip in Richtung der
Montagefläche emittierte Strahlung lediglich wieder in den Halbleiterchip zurückreflektiert werden würde und dort von dem Halbleiterchip absorbiert würde. Dieser Strahlungsanteil würde demnach nicht zur Lichtemission aus dem Bauelement beitragen. Dadurch kann der Bereich an der Montagefläche mit Material der reflektierenden Umhüllung ausgespart werden, wodurch insgesamt weniger Material der reflektierenden
Umhüllung notwendig ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements enthält die reflektierende Umhüllung lichtstreuende und/oder lichtreflektierende Partikel. Diese Partikel sind insbesondere geeignet, das von dem
Halbleiterchip emittierte Licht in Vorwärtsrichtung
umzulenken .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
lichtstreuenden und/oder lichtreflektierenden Partikel Ti02- Partikel, BaSC>4-Partikel, ZnO-Partikel , AlxOY-Partikel und/oder Zr02_Partikel .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
reflektierende Umhüllung ein mit lichtstreuenden und/oder lichtreflektierenden Partikeln gefülltes Silikon. In dem Silikon sind insbesondere die lichtstreuenden oder
lichtreflektierenden Partikel eingebracht. Bevorzugt sind die Partikel homogen in dem Silikon eingebracht, sodass eine homogene Umlenkung der seitlich oder rückwärts von dem
Halbleiterchip emittierten Strahlung in Vorwärtsrichtung erfolgt .
Insbesondere ist es möglich, dass die reflektierende
Umhüllung, aufgrund der lichtstreuenden und/oder
lichtreflektierenden Partikel, weiß erscheint. Ferner ist es möglich, dass die Umhüllung Farbpigmente enthält, so dass die Umhüllung Strahlung reflektiert, dabei aber schwarz oder farbig erscheint.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schutzumhüllung für die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung
transparent. Unter transparent ist insbesondere zu verstehen, dass ein großer Anteil der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung ohne Beeinflussung der Strahlungsrichtung oder Strahlungswellenlänge durch die Schutzumhüllung durchtritt. Unter einem großen Anteil ist insbesondere zu verstehen, dass mindestens 70 % der von dem Halbleiterchip emittierten
Strahlung ohne Beeinflussung durch die Schutzumhüllung durchtritt, bevorzugt zumindest 80 % der Strahlung,
vorzugsweise zumindest 90 % der Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der
Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterchips ein
Konversionselement angeordnet, das geeignet ist, die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung zumindest teilweise in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Das
Halbleiterbauelement emittiert in diesem Fall eine
Mischstrahlung, die sich zusammensetzt aus einem Anteil der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung und einem Anteil der konvertierten Strahlung. Ein Anteil der von dem
Halbleiterchip emittierten Strahlung tritt demnach
unkonvertiert durch das Konversionselement. Dadurch kann mit Vorteil ein Bauelement realisiert werden, das weiße
Mischstrahlung emittiert.
Das Konversionselement ist beispielsweise ein
Konversionsplättchen, das mittels eines Layertransfers auf die Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterchips
aufgebracht ist. Hierbei ist das Konversionsplättchen der Strahlungsdurchtrittsfläche direkt nachgeordnet. Alternativ kann der Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterchips mittels eines Sedimentationsprozesses das Konversionselement nachgeordnet sein. In diesem Fall ist direkt auf der
Strahlungsdurchtrittsfläche das Konversionselement,
insbesondere Konversionspartikel, abgeschieden. Alternativ kann der Strahlungsdurchtrittsflache mittels eines dünnen Volumenvergusses das Konversionselement nachgeordnet sein. Zudem kann das Konversionselement mittels eines EPD- Verfahrens (elektroforetisches Verfahren) oder mittels eines Spraycoating-Verfahrens auf der Strahlungsdurchtrittsflache des Halbleiterchips angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bleibt das
Konversionselement von der reflektierenden Umhüllung
unbedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements sind der Halbleiterchip und die
reflektierende Umhüllung auf einem bevorzugt ebenen
Trägersubstrat angeordnet, wobei die reflektierende Umhüllung durch eine den Halbleiterchip umlaufende Umrandung begrenzt ist. Die reflektierende Umhüllung wird beispielsweise durch einen Verguss gebildet, wobei die umlaufende Umrandung eine Vergussstoppkante zur räumlichen Begrenzung des Vergusses auf dem ebenen Trägersubstrat ausbildet. Die umlaufende Umrandung ist vorzugsweise in einem Abstand um den Halbleiterchip auf dem Trägersubstrat durchlaufend angeordnet, sodass die als Verguss ausgebildete reflektierende Umhüllung vollständig durch die Vergussstoppkante begrenzt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die reflektierende Umhüllung von dem Trägersubstrat bis zum
Halbleiterchip. Vorzugsweise verläuft mindestens eine
Oberfläche der reflektierenden Umhüllung schräg zum
Trägersubstrat. Insbesondere grenz die schräg verlaufende Oberfläche nicht an den Halbleiterchip angrenzt, sondern istst von diesem abgewandt. Die Oberfläche kann in einem Winkel größer als Null und kleiner als 90° zum Trägersubstrat verlaufen. Besonders bevorzugt ist mindestens eine Oberfläche gekrümmt ausgebildet. Durch eine derartige Gestaltung der reflektierenden Umhüllung kann der Vorwärtslichtstrom weiter verbessert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements ist dem Halbleiterchip in
Abstrahlrichtung ein optisches Element nachgeordnet. Das optische Element ist beispielsweise ein Wellenleiter, in den die von dem Bauelement emittierte Strahlung durch die
oberflächenemittierenden Eigenschaften des
Halbleiterbauelements besonders effizient eingekoppelt werden kann . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Anordnung eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen auf, die auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind. Die
Halbleiterbauelemente sind dabei bevorzugt benachbart zueinander auf dem Trägersubstrat angeordnet. Beispielsweise sind die Halbleiterbauelemente matrixartig auf dem
Trägersubstrat angeordnet. Das heißt, die
Halbleiterbauelemente können zum Beispiel an den
Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein. Die Anordnung kann als Display zur Darstellung von Bildern
Verwendung finden. Ferner ist es möglich, dass die Anordnung zur Hinterleuchtung eines Bild gebenden Elements, wie zum Beispiel eines LCD-Panels dient. Darüber hinaus kann die Anordnung als Beleuchtungsvorrichtung zum Beispiel in der Allgemeinbeleuchtung Verwendung finden.
Die in Verbindung mit dem Halbleiterbauelement angeführten Merkmale finden auch in Zusammenhang mit der Anordnung
Verwendung und umgekehrt. Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen :
Figuren 1A bis 2B jeweils einen schematischen Ausschnitt
eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements , Figuren 3A bis 3D jeweils einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ,
Figuren 4A und 4B jeweils eine schematische Ansicht eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements ,
Figur 5 einen schematischen Querschnitt eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements, und
Figuren 6A und 6B jeweils eine schematische Ansicht eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Anordnung .
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende
Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren
Größenverhältnisse untereinander sind nicht als
maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne
Bestandteile, wie beispielsweise Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In Figur 1A ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements dargestellt, das noch nicht fertig gestellt ist. Das Halbleiterbauelement weist einen
Strahlungsemittierenden Halbleiterchip 1 auf, der eine
Strahlungsdurchtrittsfläche 10 umfasst. Auf der von der Strahlungsdurchtrittsfläche 10 gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips 1 ist eine Montagefläche 11 ausgebildet, mittels der der Halbleiterchip 1 elektrisch und mechanisch kontaktiert ist. Insbesondere weist die Montagefläche 11 eine erste elektrische Kontaktstruktur 2a und eine zweite
elektrische Kontaktstruktur 2b auf. Die elektrische
Kontaktstrukturen 2a, 2b sind mittels eines Abstandes voneinander elektrisch isoliert. Mit der ersten elektrischen Kontaktstruktur 2a ist der Halbleiterchip auf einem ersten Metallkontakt 3a und mit der zweiten elektrischen
Kontaktstruktur 2b auf einem zweiten Metallkontakt 3b eines Trägersubstrats 4 befestigt, insbesondere elektrisch und mechanisch kontaktiert. Der erste Metallkontakt 3a und der zweite Metallkontakt 3b des Trägersubstrats 4 sind ebenfalls mittels eines Abstandes elektrisch voneinander isoliert. Der Halbleiterchip 1 ist somit lediglich von der
Montagefläche 11 elektrisch kontaktiert. Das bedeutet, dass die Strahlungsdurchtrittsfläche frei von Kontaktstrukturen ist. Die Strahlungsdurchtrittsfläche 10 ist somit nicht abgedeckt von absorbierenden Kontaktstrukturen, die zu einem Effizienzverlust der Austrittsstrahlung aus dem
Halbleiterchip 1 führen können. Der Halbleiterchip 1 ist als so genannter Flip-Chip ausgebildet. Der Halbleiterchip 1 weist einen Halbleiterschichtenstapel auf, insbesondere epitaktisch abgeschiedene Schichten, die beispielsweise auf einem Aufwachssubstrat des Halbleiterchips 1 aufgewachsen worden sind. Das Aufwachssubstrat kann dabei nach dem Aufwachsen der Schichten zumindest teilweise oder sogar vollständig von den Halbleiterschichten des
Schichtenstapels abgelöst worden sein. Der Halbleiterchip 1 kann somit als Dünnfilmchip ausgebildet sein. Das heißt, der Halbleiterchip 1 ist zum Beispiel frei von einem
Aufwachssubstrat . Der Halbleiterchip 1 kann einen Träger umfassen, an dem epitaktisch gewachsenen Schichtenstapel befestigt ist. Zwischen Träger und Schichtenstapel kann eine reflektierende Schicht, zum Beispiel aus Silber, angeordnet sein .
Der Halbleiterchip 1 ist ein Volumenemitter. Das bedeutet, dass die in einer aktiven Schicht des Halbleiterchips 1 emittierte Strahlung zu allen Seiten des Halbleiterchips 1 aus diesem austritt. Insbesondere tritt auch ein Anteil der in der aktiven Schicht emittierten Strahlung an Seitenflächen des Halbleiterchips 1 aus. Derartige Seiten- und auch
Rückemissionen des Halbleiterchips 1 tragen jedoch nachteilig nicht zur Vorwärtsemission bei. Um an diese Seiten- und rückwärts emittierenden Strahlen des Halbleiterchips 1 zurückzugewinnen und damit die Vorwärtsemission des
Halbleiterchips insgesamt zu erhöhen, ist bei dem
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement eine reflektierende Umhüllung vorgesehen, die den Halbleiterchip 1 zumindest bereichsweise umhüllt (nicht dargestellt) . Die reflektierende Umhüllung ist in den nachfolgenden Figuren 2A bis 6B näher dargestellt und erläutert. Zudem weist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weiter eine Schutzumhüllung auf, die den Halbleiterchip 1 und/oder die reflektierende Umhüllung zumindest bereichsweise umhüllt (nicht dargestellt) . Auf die Schutzumhüllung wird in die nachfolgenden Figuren 3A bis 3D näher eingegangen.
Die erste elektrische Kontaktstruktur 2a und die zweite elektrische Kontaktstruktur 2b des Halbleiterchips 1 können Kontaktschichten sein, die beispielsweise Gold enthalten. Beispielsweise sind die Kontaktstrukturen 2a, 2b Lotschichten und/oder Goldzwischenschichten.
In Figur 1B ist die Volumenemission des Halbleiterchips 1 des Ausführungsbeispiels der Figur 1A näher dargestellt. Die Strahlungsemission ist insbesondere mittels Pfeilen S
grafisch dargestellt. Die von der aktiven Schicht des
Halbleiterchips emittierte Strahlung S tritt dabei sowohl an der Strahlungsdurchtrittsfläche 10 wie auch an den
Seitenflächen des Halbleiterchips 1 aus diesen aus. Damit emittiert der Volumenemitter sowohl vorwärts gerichtete als auch seitwärts und rückwärts gerichtete Strahlung. Die rückwärts gerichtete Strahlung trifft dabei auf die
Metallkontakte 3a, 3b des Trägersubstrats 4 und kann dort nachteilig absorbiert werden, sodass diese Strahlen nicht zur Vorwärtsemission des Halbleiterbauelements beitragen.
Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement werden diese seitwärts und rückwärts gerichteten und von dem
Halbleiterchip emittierten Strahlen zurückgewonnen und in Richtung Vorwärtsemission gerichtet. Dies erfolgt mittels der reflektierenden Umhüllung 5, die unter anderem in dem
Ausführungsbeispiel der Figur IC dargestellt ist. Insbesondere unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Figur IC von dem Ausführungsbeispiel der Figur 1B dadurch, dass die reflektierende Umhüllung 5 den Halbleiterchip 1 bereichsweise umhüllt. Insbesondere ist der Halbleiterchip 1 mit der reflektierenden Umhüllung bis zur Chipoberkante vergossen. Eine Oberfläche der reflektierenden Umhüllung 5, die dem Halbleiterchip 1 abgewandt ist, erstreckt sich vom Trägersubstrat 4 bis zur Chipoberkante und verläuft schräg zum Trägersubstrat 4. Insbesondere erstrecken sich alle
Oberflächen der reflektierenden Umhüllung 5, die dem
Halbleiterchip 1 abgewandt sind, vom Trägersubstrat 4 bis zur Chipoberkante und verlaufen schräg zum Trägersubstrat 4.
Weiterhin ist die mindestens eine schräg verlaufende
Oberfläche vorteilhafterweise mit einer Krümmung versehen. Die seitwärts und rückwärts emittierten Strahlen Sg des
Halbleiterchips 1 werden in der reflektierenden Umhüllung 5 in Richtung der Strahlungsdurchtrittsfläche 10 umgelenkt. Dadurch wird die Seiten- und Rückwärtsemission unterdrückt und die Vorwärtsemission Sy verstärkt. Gleichzeitig können durch die reflektierende Umhüllung 5 die Absorptionseffekte an den Metallkontakten 3a, 3b des Trägersubstrats 4
unterdrückt werden, da die seitwärts und rückwärts
emittierten Strahlen Sg in der reflektierenden Umhüllung 5 vor Erreichen der Metallkontakte 3a, 3b in Richtung
Strahlungsdurchtrittsfläche 10 des Halbleiterchips 1 gestreut oder reflektiert werden.
Durch die reflektierende Umhüllung 5 wird der als
Volumenemitter ausgebildete Halbleiterchip in einen
Oberflächenemitter überführt. Das Halbleiterbauelement ist somit insgesamt aufgrund der reflektierenden Umhüllung 5 als Oberflächenemitter ausgebildet. Das bedeutet, dass der größte Anteil der von der aktiven Schicht des Halbleiterchips 1 emittierte Strahlung aus der Strahlungsdurchtrittsflache 10 austritt .
Um die Umlenkung der seitlich und rückwärts emittierenden Strahlen Sg in Richtung Vorwärtsemission Sy zu ermöglichen, enthält die reflektierende Umhüllung 5 lichtstreuende
und/oder lichtreflektierende Partikel. Beispielsweise enthält die reflektierende Umhüllung 5 Ti02_Partikel, BaSOz Partikel, ZnO-Partikel, AlxOy-Partikel und/oder ZrC>2-Partikel .
Besonders bevorzugt ist die reflektierende Umhüllung 5 ein mit diesen lichtstreuenden und/oder lichtreflektierenden Partikeln gefülltes Silikon.
Bevorzugt ist der Abstand zwischen der ersten elektrischen Kontaktstruktur 2a und der zweiten elektrischen
Kontaktstruktur 2b frei von Material der reflektierenden Umhüllung. Damit ist auch der Bereich zwischen erstem
Metallkontakt 3a und zweitem Metallkontakt 3b des
Trägersubstrats 4 frei von Material der reflektierenden
Umhüllung 5.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1D ist im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ein Halbleiterchip 1 dargestellt, der nicht als Flip-Chip ausgebildet ist. Dieser Halbleiterchip 1 weist insbesondere an der
Strahlungsdurchtrittsfläche 10 elektrische Kontaktstrukturen auf, die beispielsweise mittels eines Bonddrahtes 3b mit den Metallkontakten 3a des Trägersubstrats 4 elektrisch leitend verbunden sind. Durch diese vorhandene Drahtkontaktierung erhöht sich jedoch nachteilig die Mindestvergusshöhe sowie die Höhe des Halbleiterchips. Durch den wie in den Figuren 1A bis IC als Flip-Chip ausgebildeten Halbleiterchip kann im Vergleich zu dem Halbleiterchip der Figur 1D damit ein Halbleiterbauelement mit geringer Bauhöhe und zudem mit geringer Vergusshöhe der reflektierenden Umhüllung
gewährleistet werden. Zudem können aufgrund der Flip-Chip- Ausgestaltung Absorptionsverluste an den Kontaktstrukturen der Strahlungsdurchtrittsfläche vermieden werden.
In Figur 2A ist ein Halbleiterbauelement dargestellt, das im Unterschied zu dem in Figur IC dargestellten
Ausführungsbeispiel eine reflektierende Umhüllung 5 aufweist, die nicht bis zur Chipoberkante reicht. Abhängig von der jeweils gewünschten Applikation und Anwendung des
Halbleiterbauelements kann die Höhe des Vergusses der
reflektierenden Umhüllung 5 eingestellt sein. Insgesamt ist dabei darauf zu achten, dass die Höhe der reflektierenden Umhüllung derart ausgestaltet ist, dass die seitliche
Emission oder zumindest die Rückemission des Halbleiterchips 1 in Richtung Strahlungsdurchtrittsfläche umgelenkt wird, sodass insgesamt die Vorwärtsemission des Bauelements
verstärkt wird und eventuell absorbierende Strukturen, insbesondere Kontaktstrukturen, verdeckt werden.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 2B ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 2A die reflektierende
Umhüllung 5 bis an die obere Chipkante des Halbleiterchips 1 ausgebildet. Dadurch können mit Vorteil alle seitlich und rückwärts emittierenden Strahlen in Richtung
Strahlungsdurchtrittsfläche 10 umgelenkt werden, sodass eine möglichst optimale Vorwärtsemission gewährleistet werden kann .
In den Figuren 3A bis 3D ist ein erfindungsgemäßes
Halbleiterbauelement mit einer Schutzumhüllung 8 dargestellt, wobei die Schutzumhüllung 8 den Halbleiterchip 1 und/oder die reflektierende Umhüllung 5 zumindest bereichsweise umhüllt. Der Halbleiterchip 1 und die reflektierende Umhüllung 5 entsprechen bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen dem Halbleiterchip 1 und der reflektierenden Umhüllung 5 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele.
Bei dem Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 3A sind der Halbleiterchip 1 und die reflektierende Umhüllung 5 mittels eines Konversionselements 9a vergossen. Das
Konversionselement 9a ist dabei ein Volumenverguss , das ein Konvertermaterial enthält. Das Konvertermaterial ist
insbesondere geeignet, die von dem Halbleiterchip 1
emittierte Strahlung zumindest teilweise in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln.
Dabei ist das Konversionselement 9a unter anderem der
Strahlungsdurchtrittsfläche 10 des Halbleiterchips 1
nachgeordnet, sodass aus der Strahlungsdurchtrittsfläche 10 emittierte Strahlung in das Konversionselement 9a eintritt und dort zumindest teilweise in Strahlung einer anderen
Wellenlänge umgewandelt wird. Das Halbleiterbauelement emittiert demnach insgesamt Mischstrahlung der von dem
Halbleiterchip 1 emittierten Strahlung und der von dem
Konversionselement 9a umgewandelten Strahlung. Beispielsweise emittiert das Bauelement insgesamt weiße Strahlung.
Dem Konversionselement 9a ist die Schutzumhüllung 8
nachgeordnet, die vorliegend als Abdeckung oder Deckel ausgebildet ist. Die Schutzumhüllung ist vorzugsweise
transparent für die von dem Halbleiterchip 1 emittierte
Strahlung und für die von dem Konversionselement 9a
umgewandelte Strahlung. Die von dem Halbleiterchip 1 und von dem Konversionselement 9a emittierten Strahlen treten dabei bevorzugt ohne Beeinflussung durch die Schutzumhüllung durch.
Die Schutzumhüllung 8 ist vorzugsweise als Verguss ausgeführt und dient insbesondere der mechanischen Stabilisierung des Bauelements insgesamt. Ein separates und weiteres schützendes Gehäuse wird dadurch mit Vorteil nicht benötigt, wodurch sich insgesamt die Kosten und Lichtverluste erniedrigen sowie die Zuverlässigkeit des Bauelements erhöht.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 3B unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 3A dadurch, dass das
Konversionselement 9a nicht als Volumenverguss ausgebildet ist, sondern lediglich auf der Strahlungsdurchtrittsfläche 10 befestigt und als Konversionsschicht aufgebracht ist. Das Konversionselement 9a ist demnach weitaus kleiner
ausgebildet. Vorzugsweise ist das Konversionselement ein separates Konversionsplättchen, das auf den Halbleiterchip 1 beispielsweise mittels eines Layertransfers aufgebracht worden ist. Insbesondere bleibt das Konversionselement 9a von der reflektierenden Umhüllung 5 unbedeckt.
Die Schutzumhüllung 8 vergießt vorliegend sowohl die
reflektierende Umhüllung 5 als auch das Konversionselement 9a bevorzugt vollständig und ist als Volumenverguss ausgebildet. Die Schutzumhüllung 8 dient wiederum zur mechanischen
Stabilisierung des Bauelements insgesamt und weist
vorzugsweise transparente Eigenschaften für die konvertierte und für die emittierte Strahlung auf.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 3C unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 3B dadurch, dass das
Konversionselement 9a nicht als Konverterplättchen ausgebildet ist, sondern eine auf der
Strahlungsdurchtrittsflache 10 des Halbleiterchips 1
abgeschiedene Konverterschicht ist, beispielsweise
hergestellt durch ein EPD-Verfahren .
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 3D ist das
Konversionselement 9a als Einhüllung des Halbleiterchips 1 inklusive der reflektierenden Umhüllung 5 ausgebildet. Eine derart ausgebildete Einhüllung wird beispielsweise durch Sedimatation oder Spraycoating hergestellt. Das
Konversionselement 9a ist wiederum durch die Schutzumhüllung 8 vergossen und mechanisch stabilisiert.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 4A unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsbeispielen dadurch, dass die reflektierende Umhüllung 5 durch eine den Halbleiterchip 1 umlaufende Umrandung 7 begrenzt ist. Die Umrandung 7 ist beispielsweise eine Vergussstoppkante, die die als Verguss ausgebildete reflektierende Umhüllung 5 räumlich begrenzt. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines planaren und ebenen Trägersubstrats 4 von Vorteil. Dabei kann die dem Halbleiterchip 1 zugewandte Innenkante der Umrandung 7 als Vergussstoppkante wirken. In diesem Fall bleibt die Umrandung 7 frei von der Umhüllung 5. Alternativ ist es möglich (siehe gestrichelte Linie) , dass die dem Halbeiterchip 2 abgewandte Außenkante der Umrandung 7 als Vergussstoppkante wirkt. Die Umhüllung 5' überdeckt dann auch die Umrandung 7. Dies kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Umrandung 7
strahlungsabsorbierend ausgebildet ist.
In Figur 4B ist eine Aufsicht auf das Ausführungsbeispiel der Figur 4A gezeigt. Das links dargestellte Halbleiterbauelement der Figur 4B weist die den Halbleiterchip umlaufende Umrandung 7 auf, die insbesondere ohne Unterbrechung
ausgebildet ist. Der Halbleiterchip 1 ist auf den
Metallkontakten 3a, 3b angeordnet, wobei der Halbleiterchip 1 und die Metallkontakte 3a, 3b vollständig innerhalb der
Umrandung 7 angeordnet sind. Die Umrandung 7 ist dabei in einem Abstand zu den Metallkontakten 3a, 3b und zu dem
Halbleiterchip 1 ausgebildet und weist bevorzugt die Form eines Quaders oder eines Rechtecks auf. Es sind aber auch alternative Formen wie kreisförmige, ovale oder beliebige andere Ausgestaltungen denkbar.
Das rechte Bauelement der Figur 4B weist die Schutzumhüllung 8 auf, die auf die reflektierende Umhüllung und den
Halbleiterchip aufgebracht ist. Die Schutzumhüllung 8 deckt dabei den Halbleiterchip 1 und die Metallkontakte 3a, 3b vollständig ab und ist durch die Umrandung 7 räumlich
begrenzt. Vorzugsweise weist die Schutzumhüllung 8 ebenfalls in Aufsicht eine rechteck- oder quaderförmige Ausbildung auf. Es sind aber auch alternative Formen wie kreisförmige, ovale oder beliebige andere Ausgestaltungen denkbar.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist ein
Halbleiterbauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Figuren 3A bis 3D dargestellt, dem in Abstrahlrichtung ein optisches Element 9b nachgeordnet ist. Das optische Element 9b ist beispielsweise ein Wellenleiter, in dem die von dem
Halbleiterbauelement emittierte Strahlung eingekoppelt wird. Ein Halbleiterbauelement mit derartig nachgeordnetem
Wellenleiter dient beispielsweise zu Beleuchtungs- und/oder Hinterleuchtungsanwendungen . Hierbei kann aufgrund der geringen Bauelementhöhe mit Vorteil der Wellenleiter
möglichst nah an der Strahlungsdurchtrittsfläche des
Halbleiterchips angeordnet sein. Dadurch kann mit Vorteil eine effiziente Lichteinkopplung in den Wellenleiter
gewährleistet werden.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 6A und 6B ist jeweils eine Anordnung dargestellt, die eine Mehrzahl von auf einem gemeinsamen Trägersubstrat 4 angeordneten
Halbleiterbauelementen 100 aufweist. Die Bauelemente 100 sind dabei gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet .
Die Anordnung des Ausführungsbeispiels der Figur 6A weist linear angeordnete Halbleiterbauelemente auf. Die
Halbleiterbauelemente 100 sind insbesondere nebeneinander auf dem ebenen Trägersubstrat 4 angeordnet. Dabei weisen die Halbleiterbauelemente 100 vorzugsweise jeweils einen im
Wesentlichen identischen Abstand zueinander auf.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 6B weist eine Anordnung auf, bei dem die Halbleiterbauelemente 100 matrixartig auf dem bevorzugt ebenen Trägersubstrat 4 angeordnet sind. Dabei ist nicht zwingend erforderlich, dass die Anordnung insgesamt flächig eben ausgebildet ist. Insbesondere kann das
Trägersubstrat 4 auch eine gekrümmte Fläche aufweisen. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den
Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102012101102.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (100) aufweisend
- zumindest einen Strahlungsemittierenden und/oder
Strahlungsempfangenden Halbleiterchip (1), der eine
Strahlungsdurchtrittsflache (10) und eine der
Strahlungsdurchtrittsflache (10) gegenüberliegende
Montagefläche (11) aufweist, wobei die Montagefläche (11) eine erste elektrische Kontaktstruktur (2a) und eine von der ersten elektrischen Kontaktstruktur (2a) elektrisch isolierte zweite elektrische Kontaktstruktur (2b) aufweist, und wobei die Strahlungsdurchtrittsfläche (10) frei von
Kontaktstrukturen ist,
- eine reflektierende Umhüllung (5) , die den zumindest einen Halbleiterchip (1) zumindest bereichsweise umhüllt, und
- eine Schutzumhüllung (8), die den zumindest einen
Halbleiterchip (1) und/oder die reflektierende Umhüllung (5) zumindest bereichsweise umhüllt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei
der Halbleiterchip (1) ein Volumenemitter ist und das
Halbleiterbauelement (100) durch die reflektierende Umhüllung (5) ein Oberflächenemitter ist.
3. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
an der Montagefläche (11) ein Bereich zwischen der ersten elektrischen Kontaktstruktur (2a) und der zweiten
elektrischen Kontaktstruktur (2b) frei von Material der reflektierenden Umhüllung (5) ist.
4. Halbeiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die reflektierende Umhüllung (5) lichtstreuende und/oder lichtreflektierende Partikel enthält.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei
die lichtstreuenden und/oder lichtreflektierenden Partikel Ti02-Partikel, BaS04-Partikel , ZnO-Partikel , AlxOY-Partikel und/oder Zr02~Partikel sind.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
die reflektierende Umhüllung (5) ein mit lichtstreuenden und/oder lichtreflektierenden Partikeln gefülltes Silikon umfasst .
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
die reflektierende Umhüllung (5) durch einen Verguss gebildet ist .
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei mindestens eine Oberfläche der
reflektierenden Umhüllung (5), die vom Halbleiterchip (1) abgewandt ist, gekrümmt ausgebildet ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Schutzumhüllung (8) durch einen Verguss gebildet ist und die reflektierende Umhüllung (5) in den Verguss eingebettet ist.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
die Schutzumhüllung (8) für die von dem Halbleiterchip (1) emittierte Strahlung transparent ist.
11. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
auf der Strahlungsdurchtrittsflache (10) des Halbleiterchips (1) ein Konversionselement (9a) angeordnet ist, das geeignet ist, die von dem Halbleiterchip (1) emittierte Strahlung zumindest teilweise in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln .
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, wobei das
Konversionselement (9a) von der reflektierenden Umhüllung (5) unbedeckt ist.
13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (1) und die
reifektierende Umhüllung (5) auf einem Trägersubstrat (4) angeordnet sind und sich die reifektierende Umhüllung (5) von dem Trägersubstrat (4) bis zum Halbleiterchip (1) erstreckt, wobei die reflektierende Umhüllung (5) höchstens bis zu einer oberen Chipkante reicht.
14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, das eine den
Halbleiterchip ( 1 ) umlaufende Umrandung (7) aufweist, wobei die reflektierende Umhüllung (5) durch die umlaufende
Umrandung (7) begrenzt ist.
15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
dem Halbleiterchip (1) in Abstrahlrichtung ein optisches Element (9b) nachgeordnet ist.
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