WO2017144680A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements - Google Patents

Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements Download PDF

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WO2017144680A1
WO2017144680A1 PCT/EP2017/054366 EP2017054366W WO2017144680A1 WO 2017144680 A1 WO2017144680 A1 WO 2017144680A1 EP 2017054366 W EP2017054366 W EP 2017054366W WO 2017144680 A1 WO2017144680 A1 WO 2017144680A1
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hybrid polymer
semiconductor chip
optoelectronic component
conversion element
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PCT/EP2017/054366
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David O´BRIEN
Georg DIRSCHERL
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component. Furthermore, the invention relates to a method for producing an optoelectronic component.
  • Conversion elements often have converter materials, for example quantum dots.
  • the conversion materials convert the radiation emitted by a radiation source into radiation with an altered, for example longer, wavelength.
  • the conversion materials are usually in a polymer-based matrix material, for example
  • polymer-based matrix materials Acrylates, dispersed in order to obtain the conversion material in a processible form and protect it against environmental influences.
  • polymer-based matrix materials have the disadvantage that they are permeable to moisture and / or oxygen and / or acidic gases from the environment. Furthermore, polymer-based matrix materials have a low
  • An object of the invention is to provide an optoelectronic device having improved properties.
  • an optoelectronic component is to be provided which has a conversion element with good efficiency and / or blue stability and / or is easy to produce.
  • the optoelectronic component should be stable against environmental influences. It is another object of the invention to provide a method for producing a Optoelectronic device that produces an optoelectronic device with improved properties.
  • this includes
  • the optoelectronic component comprises a
  • the conversion element has
  • the quantum dots are for
  • Conversion element has a layer structure with a plurality of inorganic barrier layers.
  • Barrier layers are at least partially spatially separated from each other by a hybrid polymer.
  • Hybrid polymer has inorganic and organic regions.
  • the inorganic and organic regions are covalently bonded together.
  • the quantum dots are in the
  • the quantum dots are embedded in at least one of the barrier layers.
  • the Optoelectronic device can also do more than one
  • Semiconductor chip for example, two or three
  • the at least one semiconductor chip comprises a semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor material is preferably a
  • Nitride compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m N, or a phosphide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m P, where in each case 0 ⁇ n 1, 0 ⁇ m 1 and n + m ⁇ 1.
  • the semiconductor material may be Al x Ga x __ x As with 0 ⁇ x ⁇ 1
  • the semiconductor layer sequence includes an active layer with at least one pn junction and / or with one or more quantum well structures.
  • Component has an active layer in which a
  • a wavelength or the wavelength maximum of the radiation is preferably in the ultraviolet and / or visible and / or IR range, in particular at wavelengths between 420 nm and 680 nm, for example between 440 nm and 480 nm inclusive.
  • the optoelectronic component is a light-emitting diode, or LED for short.
  • the optoelectronic component is then preferably designed to emit blue or white light.
  • the semiconductor chip may in particular be a thin-film LED chip.
  • Radiation exit surface is preferably perpendicular to a growth direction of a semiconductor layer sequence of
  • Oriented semiconductor chips Preferably sends the
  • Semiconductor chip electromagnetic radiation from the violet or blue wavelength range said radiation is coupled via the radiation exit surface of the optoelectronic component.
  • this has a conversion element.
  • the conversion element has quantum dots. Quantum dots are in particular dispersed or embedded in a matrix material, in particular a hybrid polymer. The quantum dots are for wavelength conversion or wavelength conversion
  • the wavelength-converting quantum dots are, in particular, a sensitive conversion material, ie a conversion material sensitive to oxygen, moisture and / or acidic gases.
  • the quantum dots are preferably nanoparticles, that is to say particles with a size in the nanometer range with a particle diameter d5 Q , for example between at least 1 nm and at most 1000 nm.
  • the quantum dots comprise a semiconductor core which has wave-converting properties.
  • the core of the quantum dots comprises or consists of an II / IV or III / V semiconductor.
  • the core of the quantum dots comprises or consists of an II / IV or III / V semiconductor.
  • the semiconductor core may be coated by one or more layers as a coating.
  • the coating may be organic and / or inorganic. In other words, the semiconductor core may be completely or almost completely covered by further layers on its outer surface or surface.
  • the semiconductor core can be a single crystal or
  • Quantum dots have an average diameter of 3 nm to 10 nm, more preferably from 3 to 5 nm. By varying the size of the quantum dots can specifically
  • Wavelength of the converting radiation can be varied and adjusted accordingly for the respective applications.
  • the quantum dots can be spherical or
  • the hybrid polymer has organic and inorganic regions covalently linked together.
  • the hybrid polymer has
  • the hybrid polymer has compared to pure polymeric materials
  • hybrid polymer is also understood as meaning a compound which has inorganic regions and organic regions on the one hand.
  • the inorganic regions are in particular units of metal-oxygen, such as -Si-O- or -Ti-O- or -Zr-O-, wherein the metal may be mono-, di- or tri-crosslinked and thus one less or stronger can form crosslinked scaffolding.
  • the inorganic regions usually have one
  • the organic regions in the macromolecule usually have functional reactive groups. These functional groups are in particular in close proximity to each other. The functional groups should, as far as possible, completely network with one another from different areas.
  • Polymerization for example via terminal C-C double bonds, such as phenyl or acrylate, take place or take place by hydrosilylation.
  • Hybrid polymer has thereby both plastic and
  • glassy or ceramic-like properties can be as a particle layer or compact material or matrix material.
  • the hybrid polymer is an Ormocer® (ORganic MOdied CERamics) or OrmocX.
  • nanoimprint lithography and two-photon polymerization is one way to realize a complex three-dimensional shape of the hybrid polymer.
  • the hybrid polymer is especially compatible with semiconductor customary production processes.
  • the hybrid polymer can be prepared by synthesis in the sol-gel process.
  • the synthesis takes place in the sol-gel process starting from organically modified alkoxysilanes and metal alkoxides.
  • the inorganic crosslinking takes place via hydrolysis and condensation reaction of the alkoxy groups.
  • the organic network structure can be due to organic
  • crosslinking reaction of Epoxymethacryl- or phenyl groups carried out.
  • metal oxides for example zirconium ⁇ or titanium oxides can be used.
  • the inorganic network shows a high thermal
  • the polymerization of the organic groups can be carried out by means of heat or UV emitted.
  • the polymerizable organic groups may be, for example, acrylic, phenyl or epoxy.
  • the organic network shows high flexibility and processability.
  • the hybrid polymer is particularly highly transparent. Highly transparent here and below means that the hybrid polymer transmits more than 90% of the incident radiation, in particular more than 98% of the radiation.
  • the hybrid polymer is chemically stable, thermally stable, transparent, hard-elastic and / or light
  • the hybrid polymer can be crosslinked thermally and / or by radiation.
  • the hybrid polymer can be thermally crosslinked at temperatures ⁇ 270 ° C., in particular ⁇ 150 ° C. or ⁇ 100 ° C.
  • the hybrid polymer can be crosslinked by UV radiation, ie radiation having a wavelength maximum of ⁇ 400 nm, for example 375 nm.
  • UV radiation ie radiation having a wavelength maximum of ⁇ 400 nm, for example 375 nm.
  • the hybrid polymer can either be exposed by conventional UV lithography and thus thermally and / or radiation-crosslinked.
  • the hybrid polymer may alternatively or additionally be laser direct imaging (LDI) or UV molding
  • UV molding refers in particular to a combination of a molding process and UV exposure for crosslinking the hybrid polymer.
  • thermal crosslinking or structuring of the hybrid polymer depending on
  • Viscosity of the starting material can be used for processing various methods, such as molding or jetting. The above methods can also be used together.
  • the molding with a structured transparent molding tool can be combined.
  • the molding with a structured transparent molding tool can be combined.
  • a stamp for example, a stamp
  • LDI laser done
  • the hybrid polymer is selected from a group comprising Ormocor, Ormoclad,
  • Ormoclear InkOrmor, Ormocomp, Ormostemp, OrmoclearlO and Ormoclear30. These designations are trade names and can be purchased, for example, at the Fraunhofer-Gesellschaft or at Microresist Technology GmbH.
  • Ormoclear is used as the hybrid polymer.
  • OrmoclearlO and / or Ormoclear30 is used.
  • the Ormoclear is used as a UV-structurable hybrid polymer for use in a light emitting diode.
  • Ormocomp is used as the hybrid polymer.
  • Ormocomp is a UV curable
  • Hybrid polymer that is UV structurable can be structured by means of lithography and / or embossing methods.
  • Quantum dots and the hybrid polymer as a matrix material are Quantum dots and the hybrid polymer as a matrix material.
  • the hybrid polymer can be any suitable matrix materials and interact with the quantum dots.
  • the hybrid polymer can be any suitable matrix materials and interact with the quantum dots.
  • the hybrid polymer has a very good
  • the network of inorganic and organic regions results in a highly crosslinked hybrid polymer that has low permeability to oxygen and
  • the hybrid polymer can be modified such that it has improved adhesion to the semiconductor chip or to the housing of the optoelectronic component and thus to a
  • Delamination is avoided.
  • this can be produced by functionalizing organically modified silicon alkoxides with organic polar groups such as OH and thus improving the adhesion (PPA, PCT).
  • organic polar groups such as OH
  • PPA, PCT organic polar groups
  • they may also be modified with nonpolar aliphatic organic groups and then
  • Fluoropolymers has, are connected.
  • the hybrid polymer can be cured by heat or UV.
  • an initiator may be added to the hybrid polymer for curing.
  • Hardening by UV avoids high temperature stress during the thermal process (> 120 ° C) and thus damage to the Quantum dots. UV curing can be done by photolithography.
  • the embedding of the quantum dots in the hybrid polymer shows sufficient blue stability.
  • the hybrid polymer is more blue stable than other matrix materials, such as
  • inorganic barrier layers on.
  • the barrier layers comprise a material selected from the group consisting of silicon dioxide,
  • Silicon nitride and combinations thereof.
  • inorganic barrier layer can by means of various inorganic barrier layer
  • Atomic layer deposition ALD
  • laser ablation PLD
  • the inorganic barrier layers protect in particular the quantum dots from environmental influences.
  • a conversion element can be provided which simultaneously acts as an encapsulation element for the conversion material.
  • the semiconductor chip is arranged in a recess of a housing.
  • Conversion element is arranged in the beam path of the semiconductor chip and has a layer structure.
  • Layer structure of the conversion element has in particular at least four, five, six, seven, eight, nine or ten, preferably at least 15 or exactly 15 inorganic
  • the optoelectronic component may additionally have a further barrier layer, which is the surface of the recess of the housing and / or the
  • the semiconductor chip is arranged in a recess of a housing and the
  • the layer structure of the conversion element has at least four, five, six, seven, eight, nine or ten, in particular 15 or exactly 15 inorganic barrier layers which comprise an alternating layer sequence of a
  • the device has a further layer which comprises or consists of the hybrid polymer, which the surfaces of the recess of the
  • Hybrid polymer is understood here and below that, for example, ten inorganic barrier layers are each separated by a layer comprising the hybrid polymer, so that an alternating sequence of
  • inorganic barrier layer hybrid polymer layer
  • inorganic barrier layer inorganic barrier layer, hybrid polymer layer and so on.
  • the thickness in the cross section which is between 100 ym inclusive and including 1000 ym.
  • the thickness of the layer is formed inhomogeneous in cross section.
  • the further layer preferably forms one
  • a homogeneous layer thickness means in particular a maximum tolerance of 2% of the average layer thickness.
  • Quantum dots account for between 0.001% and 5% by weight in the hybrid polymer.
  • the layer structure has at least two
  • Hybridpolymer on there are at least two inorganic barrier layers and two hybrid polymer layers.
  • the side surfaces of the semiconductor chip and the side surfaces of the conversion element in cross section have a same lateral extent, ie with a tolerance of at most 1%, 1.5% or 2% of the central lateral
  • the side surfaces are positively covered by a further barrier layer.
  • the component can be introduced into a housing of a recess.
  • the conversion element is produced outside the housing and after the conversion element has been produced, the semiconductor chip and the conversion element are mounted in a housing.
  • the semiconductor chip is arranged in a recess of a housing and the
  • the layer structure has at least one
  • a further layer positively encloses in particular the surfaces of the recess of the housing and / or the surfaces and side surfaces of the housing
  • a reflector element which in particular comprises titanium dioxide or consists thereof, is arranged, which surrounds the side surfaces of the semiconductor chip.
  • Quantum dots are very sensitive to environmental influences, such as oxygen and humidity, and therefore need to be isolated from the outside environment. Furthermore, the quantum dots must have a certain distance from each other to avoid quenching.
  • the interaction between a quantum dot and a matrix material is very complex. For example, polar groups or an electrically conductive material can reduce the exciton efficiency of the quantum dots and cause quenching of the quantum dots
  • the device would have a low efficiency.
  • the inventors have now recognized that embedding the quantum dots in a hybrid polymer as a matrix material, these disadvantages just described
  • the hybrid polymer in combination with the inorganic barrier layers has an encapsulation against environmental influences. This makes it possible to dispense with other encapsulation elements, such as glass and PET films. If, for example, matrix materials based on acrylate are used in comparison with inorganic barrier layers, the problem arises that the inorganic barrier layers can not be processed directly with the acrylate. Further, acrylates or other organic materials have a low stability under blue ⁇ or UV light. Thus, conventional matrix materials for quantum dots are only sufficiently suitable.
  • the method for producing the optoelectronic component provides
  • the method comprises the steps of: A) providing a substrate,
  • the structured curing takes place by means of a mask.
  • the substrate used is glass, quartz, plastic films, metal, metal foils, silicon wafers or another suitable substrate material.
  • the substrate used is glass, quartz, plastic films, metal, metal foils, silicon wafers or another suitable substrate material.
  • the substrate used is glass, quartz, plastic films, metal, metal foils, silicon wafers or another suitable substrate material.
  • FIGS. 1A and 1B each show a conversion element according to an embodiment
  • FIGS. 2A to 2C each show a schematic
  • FIG. 2D shows a schematic side view of an optoelectronic component according to FIG.
  • Figures 3A to 3F show a method for producing an optoelectronic component according to an embodiment
  • Figures 4A to 5B each show a schematic
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated Elements and their proportions are not to be regarded as true to scale. Rather, individual elements, such as layers, components, components and areas for exaggerated representability and / or better understanding can be displayed exaggerated.
  • FIG. 1A shows a schematic side view of a conversion element 2 which is arranged on a substrate 11.
  • the conversion element 2 is designed to be transparent.
  • the conversion element 2 has inorganic
  • the inorganic barrier layers 31, 32, 33 are each spatially separated from each other by a layer comprising the hybrid polymer 41 and 42.
  • the conversion element has a diffusion coefficient for water of 2-10- ⁇ g / m ⁇ -d at 38 ° C and 90 ° C humidity.
  • Barrier layer structure which serves as an encapsulation, can be used for quantum dots.
  • FIG. 1B shows an alternating layer structure of the conversion element 2.
  • the conversion element 2 has
  • inorganic barrier layers 31, 32, 33, 34, 35 each spatially separated from layers comprising the hybrid polymer 41, 42, 43, 44.
  • the layer structure can be
  • FIGS. 2A to 2C each show a schematic
  • the optoelectronic component 100 of FIG. 2A has a housing 6 with a recess 61.
  • a semiconductor chip 1 is arranged in the recess 61 of the housing 6.
  • a semiconductor chip 1 is arranged in the recess 61 .
  • the Conversion element 2 arranged in the beam path of the semiconductor chip 1.
  • the conversion element 2 has a
  • the layer structure 7 has
  • inorganic barrier layers 31, 32, 33, 34 In this case there are four inorganic barrier layers. But it can also be more than four inorganic
  • Barrier layers 31, 32, 33, 34 are each through a layer comprising the hybrid polymer 41, 42, 43, 44th
  • Hybrid polymer layer 42 is present.
  • the device 100 further comprises a further hybrid polymer layer 8.
  • the further hybrid polymer layer 8 covers positively both the surfaces of the recess 61 and the side surfaces and surfaces of the semiconductor chip 1.
  • the quantum dots 5 are here in particular in the layer 41, so the
  • Hybrid polymer layer 41 between the others
  • FIG. 2B shows an optoelectronic component 100 according to an embodiment.
  • the optoelectronic component 100 has no further barrier layer 8 in comparison to the component of FIG. 2A. In this case, the
  • FIG. 2C shows a schematic side view of an optoelectronic component according to an embodiment.
  • the further barrier layer 8 covers both the surfaces of the recess 61, the housing surfaces 16 and the surfaces and the side surfaces of the
  • Barrier layers 31 to 33 are arranged close to the chip, wherein the inorganic barrier layers below
  • volume casting of hybrid polymer 43 is arranged downstream.
  • the quantum dots are arranged in the inorganic barrier layers 31 to 33, in particular on the semiconductor chip. In particular, that is
  • Hybrid Polymer 4 an Ormoclear.
  • the inorganic barrier layers 31 to 33 conform to the surface of the semiconductor chip in a form-fitting manner.
  • quantum dots 5 can also be present with the hybrid polymer 4 already present
  • blue-emitting and stable materials such as PET can be used. This allows stable conversion elements
  • Components 100 have conventional components to a glass tube 17 with quantum dots 5, which are applied as a conversion element on a plurality of semiconductor chips 1. This leads to a rigid system of glass tube 17, quantum dot 5 and a plurality of semiconductor chips 1 (see FIG. 2D).
  • FIGS. 3A to 3F show a method for producing an optoelectronic component.
  • FIG. 3A shows the provision of a substrate 11 and the application of at least one semiconductor chip 1, in this case two semiconductor chips 1, to the substrate 11.
  • an inorganic barrier layer 31 is applied to the surface of the substrate 11, the surface of the semiconductor chips 1 and the side surfaces of the semiconductor chip 1 completely applied.
  • the application of the inorganic barrier layer 31 can be carried out by evaporation PECVD, ALD, PLD at low temperatures.
  • Thicker layers can, for example by means of spray coating with a
  • Layers can be applied, for example, by means of spin coating with a layer thickness of ⁇ 10 ⁇ m.
  • the structured curing takes place at least of the hybrid polymer 41.
  • the curing can be carried out by means of UV or temperature or heat.
  • the structured curing can take place by means of a mask 14 and UV radiation 15. This results in a selective and structured curing of the hybrid polymer layer 41.
  • the non-structured regions or uncured regions are removed so that a selective layer of the hybrid polymer layer 41 results.
  • Barrier layer 32 are applied at least on the hybrid polymer layer 41.
  • the steps 3B to 3E can be repeated as desired and thus a layer structure 7 having an alternating sequence of inorganic barrier layers 31, 32, 33 and hybrid polymer layers 41, 42, 43 can be produced.
  • FIGS. 4A and 4B each show a schematic
  • Figure 4A shows a
  • Figure 4B shows a conversion element 2, which was generated outside of a housing 6. After the conversion element 2 of FIG. 4B has been produced, the component 100 of FIG. 4B can be introduced into a housing.
  • the conversion element 2 of FIG. 4B After the conversion element 2 of FIG. 4B has been produced, the component 100 of FIG. 4B can be introduced into a housing.
  • Conversion element 2 and the semiconductor chip 1 the same size.
  • Extension of the conversion element can be determined by means of UV curing. This depends on the masking and the photostructuring step.
  • volumenverguss comprising a hybrid polymer layer
  • the quantum dots 5 are introduced, which is in particular quantum dot-free.
  • the quantum dots 5 are located between the semiconductor chip and the inorganic barrier layers 31, 32, 33.
  • the quantum dots 5 are embedded in the hybrid polymer 4, in particular Ormoclear.
  • the embedding can be done by means of a deposition process. In this case, for example, Inkj et methods or aerosol jet methods can be used.
  • FIGS. 5A and 5B each show a schematic
  • FIGS. 5A and 5B differ from the components of FIGS. 2A to 2C in particular in that the components additionally have a reflector element 10. In particular, this surrounds
  • Reflector element 10 the semiconductor chip 1.
  • the reflector element 10 is made of titanium dioxide. Titanium dioxide is present in particular as particles.
  • the reflector element 10 is selectively introduced between the side surfaces of the semiconductor chip 1 and the recess 61.
  • the reflector element 10 covers the
  • the application can be done by means of jetting. Subsequently, for example, layers of quantum dots 5 and
  • Hybrid polymer 4 are introduced.
  • An alternating arrangement of inorganic barrier layers 31, 32, 33 and hybrid polymer layers 41, 42 43 with or without quantum dots 5 is also possible as an encapsulation step.
  • Side surfaces of the conversion element 2 are defined in particular by the side surfaces of the recess.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) umfassend einen Halbleiterchip (1), der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist, ein Konversionselement (2), das Quantenpunkte (5) aufweist und die zur Wellenlängenkonversion von Strahlung eingerichtet sind, wobei das Konversionselement (2) eine Schichtstruktur (7) mit mehreren anorganischen Barriereschichten (31, 32, 33, 34) aufweist, wobei die anorganischen Barriereschichten (31, 32, 33, 34) durch ein Hybridpolymer (4) zumindest bereichsweise räumlich voneinander separiert sind, wobei das Hybridpolymer (4) organische und anorganische Bereiche aufweist, die kovalent miteinander verbunden sind, wobei die Quantenpunkte (5) in dem Hybridpolymer (4) und/oder zumindest in einer der Barriereschichten (31, 32, 33, 34) eingebettet sind.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Konversionselemente weisen häufig Konvertermaterialien, beispielsweise Quantenpunkte, auf. Die Konversionsmaterialien wandeln die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung in eine Strahlung mit veränderter, beispielsweise längerer, Wellenlänge um. Die Konversionsmaterialien sind in der Regel in ein polymerbasiertes Matrixmaterial, beispielsweise
Acrylate, eindispergiert , um das Konversionsmaterial in einer prozessierbaren Form zu erhalten und gegen Umwelteinflüsse zu schützen. Polymerbasierte Matrixmaterialien zeigen allerdings den Nachteil, dass sie permeabel für Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff und/oder sauren Gasen aus der Umwelt sind. Ferner weisen polymerbasierte Matrixmaterialien eine geringe
Alterungsstabilität auf. Zum anderen ist eine homogene und kontrollierbare Verteilung der Konversionsmaterialien in dem Matrixmaterial schwer einstellbar.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das verbesserte Eigenschaften aufweist. Insbesondere soll ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt werden, das ein Konversionselement mit einer guten Effizienz und/oder Blaustabilität aufweist und/oder leicht herstellbar ist. Zudem soll das optoelektronische Bauelement stabil gegen Umwelteinflüsse sein. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserten Eigenschaften erzeugt .
Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 12. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements gemäß dem Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind
Gegenstand des abhängigen Anspruchs 14.
In zumindest einer Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip. Der
Halbleiterchip ist zur Emission von Strahlung eingerichtet. Das optoelektronische Bauelement umfasst ein
Konversionselement. Das Konversionselement weist
Quantenpunkte auf. Die Quantenpunkte sind zur
Wellenlängenkonversion von Strahlung eingerichtet. Das
Konversionselement weist eine Schichtstruktur mit mehreren anorganischen Barriereschichten auf. Die anorganischen
Barriereschichten sind zumindest bereichsweise durch ein Hybridpolymer räumlich voneinander separiert. Das
Hybridpolymer weist anorganische und organische Bereiche auf. Die anorganischen und organischen Bereiche sind kovalent miteinander verbunden. Die Quantenpunkte sind in dem
Hybridpolymer eingebettet. Alternativ oder zusätzlich sind die Quantenpunkte in zumindest einer der Barriereschichten eingebettet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip auf. Das optoelektronische Bauelement kann auch mehr als einen
Halbleiterchip, beispielsweise zwei oder drei
Halbleiterchips, aufweisen. Der zumindest eine Halbleiterchip umfasst eine Halbleiterschichtenfolge. Die
Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert
bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein
Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn]__n_mGamN, oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n_mGamP, wobei jeweils 0 ^ n 1, 0 ^ m 1 und n + m < 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um AlxGa]__xAs handeln mit 0 < x < 1. Dabei kann die
Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen . Das optoelektronische
Bauelement weist eine aktive Schicht auf, in der eine
elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Eine Wellenlänge oder das Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren und/oder IR-Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 680 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Leuchtdiode, kurz LED. Das optoelektronische Bauelement ist dann bevorzugt dazu eingerichtet, blaues oder weißes Licht zu emittieren.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass unter optoelektronisches Bauelement nicht nur fertige Bauelemente wie beispielsweise fertige LEDs oder Laserdioden zu verstehen sind, sondern auch Substrate und/oder Halbleiterschichten, sodass beispielsweise bereits ein Verbund einer Kupferschicht und einer Halbleiterschicht ein optoelektronisches Bauelement darstellen und ein Bestandteil eines übergeordneten zweiten optoelektronischen Bauelements bilden können, in dem
beispielsweise zusätzlich elektrische Anschlüsse vorhanden sind. Der Halbleiterchip kann insbesondere ein Dünnfilm- Leuchtdiodenchip sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip eine Strahlungsaustrittsfläche auf. Die
Strahlungsaustrittsfläche ist vorzugsweise senkrecht zu einer Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge des
Halbleiterchips orientiert. Bevorzugt sendet der
Halbleiterchip elektromagnetische Strahlung aus dem violetten oder blauen Wellenlängenbereich aus, wobei diese Strahlung über die Strahlungsaustrittsfläche aus dem optoelektronischen Bauelement ausgekoppelt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses ein Konversionselement auf. Das Konversionselement weist Quantenpunkte auf. Quantenpunkte sind insbesondere in einem Matrixmaterial, insbesondere einem Hybridpolymer, eindispergiert oder eingebettet. Die Quantenpunkte sind zur Wellenlängenkonversion oder Wellenlängenumwandlung
eingerichtet . Bei den wellenlängenkonvertierenden Quantenpunkten handelt es sich insbesondere um ein empfindliches Konversionsmaterial, also ein gegenüber Sauerstoff, Feuchte und/oder sauren Gasen sensitives Konversionsmaterial. Bevorzugt handelt es sich bei den Quantenpunkten um Nanopartikel , das heißt Teilchen mit einer Größe im Nanometerbereich mit einem Partikeldurchmesser d5Q, zum Beispiel zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 1000 nm. Die Quantenpunkte umfassen einen Halbleiterkern, der wellenkonvertierende Eigenschaften aufweist. Insbesondere umfasst oder besteht der Kern der Quantenpunkte aus einem II/IV- oder I I I /V-Halbleiter . Beispielsweise sind die
Quantenpunkte aus einer Gruppe ausgewählt, die InP, CdS, CdSe, InGaAs, GalnP und CuInSe2 umfasst. Der Halbleiterkern kann von einer oder mehreren Schichten als Beschichtung ummantelt sein. Die Beschichtung kann organisch und/oder anorganisch sein. Mit anderen Worten kann der Halbleiterkern an dessen Außenflächen oder Oberfläche vollständig oder nahezu vollständig von weiteren Schichten bedeckt sein. Der Halbleiterkern kann ein einkristallines oder
polykristallines Agglomerat sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Quantenpunkte einen durchschnittlichen Durchmesser von 3 nm bis 10 nm, besonders bevorzugt von 3 bis 5 nm, auf. Durch die Variation der Größe der Quantenpunkte kann gezielt die
Wellenlänge der konvertierenden Strahlung variiert werden und damit für die jeweiligen Anwendungen entsprechend angepasst werden. Die Quantenpunkte können kugelförmig oder
stäbchenförmig ausgeformt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Hybridpolymer auf. Das Hybridpolymer weist organische und anorganische Bereiche auf, die kovalent miteinander verbunden sind. Das Hybridpolymer weist
insbesondere starke kovalente Bindungen zwischen
anorganischen und organischen Bereichen auf. Auf diese Weise werden die Eigenschaften sehr gegensätzlicher Materialien, wie Glas oder Keramik, mit den organischen Polymeren oder Silikonen auf molekularer Ebene verbunden. Das Hybridpolymer weist im Vergleich zu reinen polymeren Werkstoffen
hervorragende optische Eigenschaften auf und besitzt durch seine chemische Struktur die Möglichkeit, dass es auf die jeweilige Anforderung maßgeschneidert werden kann.
Hier und im Folgenden wird auch unter Hybridpolymer eine Verbindung verstanden, welche zum einen anorganische Bereiche und organische Bereiche aufweist. Die anorganischen Bereiche sind insbesondere Einheiten aus -Metall-Sauerstoff-, wie beispielsweise -Si-O- oder -Ti-O- oder -Zr-O-, wobei das Metall einfach, zweifach oder dreifach vernetzt sein kann und somit ein weniger oder stärker vernetztes Gerüst ausbilden kann. Die anorganischen Bereiche weisen in der Regel eine
Teilchengröße im Bereich von 1 bis 10 nm, insbesondere von 2 bis 6 nm, beispielsweise 5 nm, auf. Die organischen Bereiche im Makromolekül besitzen in der Regel funktionelle reaktive Gruppen. Diese funktionellen Gruppen sind insbesondere in räumlicher Nähe zueinander. Die funktionellen Gruppen sollen möglichst aus verschiedenen Bereichen vollständig miteinander vernetzen. Die organische Vernetzung, insbesondere eine
Polymerisierung, kann beispielsweise über terminale C-C- Doppelbindungen, wie beispielsweise Phenyl oder Acrylat, stattfinden oder durch Hydrosilylierung erfolgen. Das
Hybridpolymer hat dadurch sowohl Kunststoff als auch
glasartige oder keramikähnliche Eigenschaften und lässt sich als Partikelschicht oder kompaktes Material oder Matrixmaterial einsetzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Hybridpolymer ein Ormocer® (ORganic MOdiefied CERamics) oder OrmocX.
Neben anderen Strukturierungsmöglichkeiten stellen
insbesondere die Nanoimprintlithografie und die Zwei- Photonenpolymerisation eine Möglichkeit dar, auch eine komplexe dreidimensionale Formgebung des Hybridpolymers zu realisieren. Das Hybridpolymer ist insbesondere kompatibel zu halbleiterüblichen Produktionsprozessen.
Das Hybridpolymer kann durch Synthese im Sol-Gel-Prozess hergestellt werden. Die Synthese erfolgt im Sol-Gel-Verfahren ausgehend von organischen modifizierten Alkoxysilanen und Metallalkoxyden. Die anorganische Vernetzung findet über Hydrolyse und Kondensationsreaktion der Alkoxygruppen statt. Der organische Netzwerkaufbau kann durch organische
Vernetzungsreaktion der Epoxymethacryl- oder Phenylgruppen erfolgen. Als Metalloxide können beispielsweise Zirkonium¬ oder Titanoxide eingesetzt werden.
Das anorganische Netzwerk zeigt eine hohe thermische
Stabilität und eine sehr hohe Härte. Die Polymerisation der organischen Gruppen kann mittels Wärme oder UV emittiert erfolgen. Dabei vernetzen die organischen Gruppen und
polymerisieren und bauen ein organisches Netzwerk auf. Die polymerisierbaren organischen Gruppen können beispielsweise Acryl, Phenyl oder Epoxy sein. Das organische Netzwerk zeigt eine hohe Flexibilität und Prozessierbarkeit . Das
Hybridpolymer besitzt mit Vorteil eine hohe
Alterungsbeständigkeit . Das Hybridpolymer ist insbesondere hochtransparent. Unter hochtransparent ist hier und im Folgenden zu verstehen, dass das Hybridpolymer mehr als 90 % der einfallenden Strahlung transmittiert , insbesondere mehr als 98 % der Strahlung durchlässt .
Das Hybridpolymer ist insbesondere chemisch stabil, thermisch stabil, transparent, hartelastisch und/oder leicht
verarbeitbar bei milden Reaktionsbedingungen.
Das Hybridpolymer kann thermisch und/oder durch Strahlung vernetzt werden. Insbesondere kann das Hybridpolymer bei Temperaturen < 270 °C, insbesondere < 150 °C oder < 100 °C, thermisch vernetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Hybridpolymer durch UV-Strahlung, also einer Strahlung mit einem Wellenlängenmaximum von < 400 nm, beispielsweise 375 nm, vernetzt werden. Bei der Vernetzung werden kovalente Bindungen zwischen den organischen und anorganischen
Bereichen ausgebildet, sodass ein dreidimensionales Netzwerk entsteht .
Das Hybridpolymer kann entweder über übliche UV-Lithografie belichtet und damit thermisch und/oder strahlenvernetzt werden. Das Hybridpolymer kann alternativ oder zusätzlich mittels Laser Direct Imaging (LDI) oder UV-Molding
verarbeitet werden. UV-Molding bezeichnet hier insbesondere eine Kombination aus einem Moldingverfahren und UV-Belichtung zur Vernetzung des Hybridpolymers. Zur thermischen Vernetzung oder Strukturierung des Hybridpolymers können je nach
Viskosität des Ausgangsmaterials verschiedene Verfahren zur Verarbeitung eingesetzt werden, beispielsweise Molding oder Jetting . Die oben genannten Verfahren können auch miteinander
kombiniert werden. Beispielsweise können das Molding mit einem strukturierten transparenten Moldwerkzeug,
beispielsweise einem Stempel, und die Belichtung mittels LDI, beispielsweise eines Lasers, erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Hybridpolymer aus einer Gruppe ausgewählt, die Ormocor, Ormoclad,
Ormoclear, InkOrmor, Ormocomp, Ormostemp, OrmoclearlO und Ormoclear30 umfasst. Diese Bezeichnungen sind Handelsnamen und käuflich erwerbbar, beispielsweise bei der Fraunhofer- Gesellschaft oder bei Microresist Technology GmbH.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird Ormoclear als Hybridpolymer verwendet. Insbesondere wird OrmoclearlO und/oder Ormoclear30 verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Ormoclear als UV-strukturierbares Hybridpolymer zur Anwendung in einer Leuchtdiode verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird als Hybridpolymer Ormocomp verwendet. Ormocomp ist ein UV-härtbares
Hybridpolymer, das UV-strukturierbar ist. Ormocomp kann mittels Lithografie und/oder Prägemethoden strukturiert werden .
Das Einbetten der Quantenpunkte in dem Hybridpolymer
verursacht eine gute Wechselwirkung zwischen den
Quantenpunkten und dem Hybridpolymer als Matrixmaterial.
Insbesondere können die organischen Gruppen für die
Polymerisation ähnlich wie bei Acrylaten oder anderen geeigneten Matrixmaterialien hergestellt werden und mit den Quantenpunkten wechselwirken. Das Hybridpolymer kann
insbesondere derart modifiziert werden, dass es keine starken polaren Gruppen aufweist und somit eine chemische Degradation oder ein Quenchen der Quantenpunkte vermieden wird.
Das Hybridpolymer weist insbesondere eine sehr gute
Barriereeigenschaft auf und kann damit zusammen mit den anorganischen Barriereschichten als Verkapselung verwendet werden. Insbesondere führt das Netzwerk aus anorganischen und organischen Bereichen zu einem hochvernetzten Hybridpolymer, das eine geringe Permeabilität gegenüber Sauerstoff und
Wasser aufweist, verglichen mit anderen Matrixmaterialien, wie beispielsweise Acrylaten oder Silikonen.
Das Hybridpolymer kann derart verändert werden, dass es eine verbesserte Adhäsion zum Halbleiterchip oder zum Gehäuse des optoelektronischen Bauelements aufweist und damit eine
Delamination vermieden wird. Insbesondere kann dies dadurch erzeugt werden, dass organisch modifizierte Siliziumalkoxide mit organischen polaren Gruppen wie OH, funktionalisiert werden und damit die Adhäsion verbessert wird (PPA, PCT) . Alternativ können diese auch mit unpolaren aliphatischen, organischen Gruppen modifiziert werden und dann
beispielsweise an ein Gehäuse oder Oberfläche, das
Fluorpolymere aufweist, angebunden werden.
Das Hybridpolymer kann mittels Wärme oder UV ausgehärtet werden. Insbesondere kann ein Initiator zu dem Hybridpolymer zum Aushärten hinzugegeben werden. Das Aushärten mittels UV vermeidet hohen Temperaturstress während des thermischen Prozesses (> 120 °C) und damit eine Beschädigung der Quantenpunkte. UV-Aushärtung kann mittels Fotolithografie erfolgen .
Die Einbettung der Quantenpunkte in das Hybridpolymer zeigt eine hinreichende Blaustabilität. Das Hybridpolymer ist blaustabiler als andere Matrixmaterialien, wie beispielsweise
Acrylate (> 50 W/cm2 mittels Lebenszeittest bestimmt).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine Schichtstruktur mit mehreren
anorganischen Barriereschichten auf.
Die Barriereschichten weisen insbesondere ein Material auf, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Siliziumdioxid,
Aluminiumoxid, Titanoxid, Zink-Zinn-Oxid (ZTO) ,
Siliziumnitrid und Kombinationen daraus umfasst. Die
anorganische Barriereschicht kann mittels verschiedener
Methoden wie beispielsweise Evaporation, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) ,
Atomlagenabscheideverfahren (ALD) oder Laserablation (PLD) erzeugt werden.
Die anorganischen Barriereschichten schützen insbesondere die Quantenpunkte vor Umwelteinflüssen. Durch die Kombination der anorganischen Barriereschichten mit dem Hybridpolymer und den Quantenpunkten kann ein Konversionselement bereitgestellt werden, das gleichzeitig als Verkapselungselement für das Konversionsmaterial wirkt. Die anorganischen
Barriereschichten oder Filme weisen eine
Wasserdampfdurchlässigkeitsrate WVTR von 10~3 ... 10~6 g/ (m2 - d) auf . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip in einer Ausnehmung eines Gehäuses angeordnet. Das
Konversionselement ist im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet und weist eine Schichtstruktur auf. Die
Schichtstruktur des Konversionselements weist insbesondere mindestens vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn, vorzugsweise mindestens 15 oder genau 15 anorganische
Barriereschichten auf, wobei die Schichtstruktur eine
alternierende Schichtenfolge aus anorganischer
Barriereschicht und einer Schicht aufweisend das
Hybridpolymer aufweist. Das optoelektronische Bauelement kann zusätzlich eine weitere Barriereschicht aufweisen, die die Oberfläche der Ausnehmung des Gehäuses und/oder die
Oberflächen des Halbleiterchips formschlüssig bedeckt. Mit formschlüssig ist hier gemeint, dass die gesamte Oberfläche des Halbleiterchips oder der Ausnehmung durch die weitere Barriereschicht bedeckt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip in einer Ausnehmung eines Gehäuses angeordnet und das
Konversionselement im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Die Schichtstruktur des Konversionselements weist mindestens vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn, insbesondere 15 oder genau 15 anorganische Barriereschichten auf, die eine alternierende Schichtenfolge aus einer
anorganischen Barriereschicht und einer Schicht aufweisend das Hybridpolymer bilden. Insbesondere weist das Bauelement eine weitere Schicht auf, die das Hybridpolymer umfasst oder daraus besteht, die die Oberflächen der Ausnehmung des
Gehäuses und/oder die Oberflächen des Halbleiterchips formschlüssig bedeckt. Mit alternierender Schichtenfolge aus einer anorganischen Barriereschicht und einer Schicht aufweisend das
Hybridpolymer ist hier und im Folgenden zu verstehen, dass beispielsweise zehn anorganische Barriereschichten jeweils durch eine Schicht aufweisend das Hybridpolymer voneinander separiert sind, sodass eine alternierende Abfolge von
anorganischer Barriereschicht, Hybridpolymerschicht,
anorganischer Barriereschicht, Hybridpolymerschicht und so weiter erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die die
Oberflächen der Ausnehmung und/oder des Halbleiterchips bedeckende Schicht, also die weitere Schicht, eine Dicke im Querschnitt auf, die zwischen einschließlich 100 ym und einschließlich 1000 ym beträgt. Insbesondere ist die Dicke der Schicht im Querschnitt inhomogen ausgeformt. Mit anderen Worten bildet die weitere Schicht vorzugsweise einen
Volumenverguss . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die die
Oberflächen der Ausnehmung und/oder des Halbleiterchips bedeckende Schicht, also die weitere Schicht, eine homogene Schichtdicke zwischen einschließlich 0,2 ym und
einschließlich 100 ym auf. Eine homogene Schichtdicke meint insbesondere eine maximale Toleranz von 2 % von der mittleren Schichtdicke .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Quantenpunkte einen Anteil zwischen 0,001% und 5 Gew% in dem Hybridpolymer auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Die Schichtstruktur weist zumindest zwei
alternierende Schichtenfolgen aus anorganischer
Barriereschicht und einer Schicht aufweisend das
Hybridpolymer auf. Es sind also zumindest zwei anorganische Barriereschichten und zwei Hybridpolymerschichten vorhanden. Insbesondere weisen die Seitenflächen des Halbleiterchips und die Seitenflächen des Konversionselements im Querschnitt eine gleiche laterale Ausdehnung, also mit einer Toleranz von maximal 1 %, 1,5 % oder 2 % von der mittleren lateralen
Ausdehnung auf. Die Seitenflächen werden von einer weiteren Barriereschicht formschlüssig bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Bauelement in ein Gehäuse einer Ausnehmung einbringbar. Mit anderen Worten wird das Konversionselement außerhalb des Gehäuses erzeugt und nach dem Erzeugen des Konversionselements werden der Halbleiterchip und das Konversionselement in ein Gehäuse montiert . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip in einer Ausnehmung eines Gehäuses angeordnet und das
Konversionselement im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Die Schichtstruktur weist zumindest eine
alternierende Schichtenfolge aus anorganischer
Barriereschicht und einer Schicht aufweisend das
Hybridpolymer auf. Eine weitere Schicht bedeckt formschlüssig insbesondere die Oberflächen der Ausnehmung des Gehäuses und/oder die Oberflächen und Seitenflächen des
Halbleiterchips. Zusätzlich ist lateral zum Halbleiterchip ein Reflektorelement, das insbesondere Titandioxid umfasst oder daraus besteht, angeordnet, das die Seitenflächen des Halbleiterchips umgibt. Quantenpunkte sind sehr sensitiv gegenüber Umwelteinflüssen, beispielsweise Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit und müssen daher von der äußeren Umwelt isoliert werden. Ferner müssen die Quantenpunkte untereinander einen bestimmten Abstand aufweisen, um ein Quenchen zu vermeiden. Die Wechselwirkung zwischen einem Quantenpunkt und einem Matrixmaterial ist sehr komplex. Beispielsweise können polare Gruppen oder ein elektrisch leitfähiges Material die Exzitonenausbeute der Quantenpunkte reduzieren und zu einem Quenchen der
Quantenpunkte führen. Damit würde das Bauelement eine geringe Effizienz aufweisen. Die Erfinder haben nun erkannt, dass durch das Einbetten der Quantenpunkte in ein Hybridpolymer als Matrixmaterial diese eben beschriebenen Nachteile
überwunden werden können. Zudem weist das Hybridpolymer in Kombination mit den anorganischen Barriereschichten eine Verkapselung gegenüber Umwelteinflüssen auf. Damit kann auf andere Verkapselungselemente, wie Glas und PET-Filme, verzichtet werden. Werden im Vergleich dazu beispielsweise Matrixmaterialien auf Acrylatbasis verwendet und anorganische Barriereschichten zugeführt, ergibt sich das Problem, dass die anorganischen Barriereschichten nicht mit dem Acrylat direkt verarbeitbar sind. Ferner weisen Acrylate oder andere organische Materialien eine geringe Stabilität unter Blau¬ oder UV-Licht auf. Damit sind herkömmliche Matrixmaterialien für Quantenpunkte nur hinreichend geeignet.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Das Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements stellt
vorzugsweise das oben beschriebene optoelektronische
Bauelement her. Das heißt, sämtliche für das Verfahren offenbarte Merkmale sind auch für das optoelektronische
Bauelement offenbart und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf: A) Bereitstellen eines Substrats,
B) Aufbringen von zumindest einem Halbleiterchip auf das Substrat, C) Aufbringen einer anorganischen Barriereschicht auf das Substrat und den Halbleiterchip,
D) Aufbringen einer Schicht eines Hybridpolymers, das
organische und anorganische Bereiche aufweist, die kovalent miteinander verbunden sind, wobei Quantenpunkte in dem
Hybridpolymer eingebettet sind,
E) strukturiertes Aushärten zumindest des Hybridpolymers mittels UV oder Wärme,
F) Aufbringen von zusätzlichen Barriereschichten und/oder zusätzlichen Schichten aufweisend das Hybridpolymer, sodass eine Schichtstruktur aus einer alternierenden Abfolge von Barriereschichten und Schichten aufweisend das Hybridpolymer erzeugt werden.
Insbesondere erfolgt das strukturierte Aushärten mittels einer Maske. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird als Substrat Glas, Quarz, Kunststofffolien, Metall, Metallfolien, Siliziumwafer oder ein anderes geeignetes Substratmaterial verwendet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgen die
Verfahrensschritte A) bis F) nacheinander und die Temperatur jedes Verfahrensschritts beträgt maximal 100 °C. Damit wird verhindert, dass die Quantenpunkte durch zu große
Temperatureinwirkung degradieren .
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Die Figuren 1A und 1B zeigen jeweils ein Konversionselement gemäß einer Ausführungsform, die Figuren 2A bis 2C zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform, die Figur 2D zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß eines
Vergleichsbeispiels , die Figuren 3A bis 3F zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform, die Figuren 4A bis 5B zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die Figur 1A zeigt eine schematische Seitenansicht eines Konversionselements 2, das auf einem Substrat 11 angeordnet ist. Insbesondere ist das Konversionselement 2 transparent ausgeführt. Das Konversionselement 2 weist anorganische
Barriereschichten 31, 32, 33 und das Hybridpolymer 41, 42, 43 auf. Die anorganischen Barriereschichten 31, 32, 33 werden jeweils durch eine Schicht aufweisend das Hybridpolymer 41 und 42 räumlich voneinander separiert. Das Konversionselement weist einen Diffusionskoeffizienten für Wasser von 2-10-^ g/m^-d bei 38 °C und 90 °C Luftfeuchtigkeit auf.
Die Erfinder haben erkannt, dass das Hybridpolymer 4
erfolgreich mit einer anorganischen Barriereschicht 3
kombiniert werden kann und damit eine effektive
Barriereschichtstruktur, die als Verkapselung dient, für Quantenpunkte verwendet werden kann.
Die Figur 1B zeigt einen alternierenden Schichtaufbau des Konversionselements 2. Das Konversionselement 2 weist
anorganische Barriereschichten 31, 32, 33, 34, 35 auf, die jeweils räumlich von Schichten aufweisend das Hybridpolymer 41, 42, 43, 44 separiert sind. Die Schichtstruktur kann
Defekte oder Pin Holes 12 aufweisen, die zur dramatischen Reduzierung der Transmission führen können. Daher ist es erstrebenswert, mehrere anorganische Barriereschichten, insbesondere mindestens zehn oder 15 Barriereschichten, zu verwenden, um eine ausreichende Verkapselung der Quantenpunkte gegenüber Umwelteinflüssen zu erreichen.
Die Figuren 2A bis 2C zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 der Figur 2A weist ein Gehäuse 6 mit einer Ausnehmung 61 auf. In der Ausnehmung 61 des Gehäuses 6 ist ein Halbleiterchip 1 angeordnet. Ferner ist in der Ausnehmung 61 ein
Konversionselement 2 im Strahlengang des Halbleiterchips 1 angeordnet. Das Konversionselement 2 weist eine
Schichtstruktur 7 auf. Die Schichtstruktur 7 weist
anorganische Barriereschichten 31, 32, 33, 34 auf. In diesem Fall sind vier anorganische Barriereschichten vorhanden. Es können aber auch mehr als vier anorganische
Barriereschichten, beispielsweise zehn anorganische
Barriereschichten, vorhanden sein. Die anorganischen
Barriereschichten 31, 32, 33, 34 sind jeweils durch eine Schicht aufweisend das Hybridpolymer 41, 42, 43, 44
voneinander räumlich separiert, sodass eine alternierende Abfolge von anorganischer Barriereschicht 31 und
Hybridpolymerschicht 42 vorhanden ist. Das Bauelement 100 weist ferner eine weitere Hybridpolymer-Schicht 8 auf. Die weitere Hybridpolymer-Schicht 8 bedeckt formschlüssig sowohl die Oberflächen der Ausnehmung 61 als auch die Seitenflächen und Oberflächen des Halbleiterchips 1. Die Quantenpunkte 5 sind hier insbesondere in der Schicht 41, also der
Hybridpolymerschicht 41, zwischen der weiteren
Barriereschicht 8 und der Barriereschicht 31 im sogenannten Volumenverguss eingebettet. Insbesondere wird als
Hybridpolymer Ormoclear verwendet. Damit kann ein Bauelement 100 bereitgestellt werden, das ein Konversionselement 2 aufweist, das sowohl als Verkapselungselement wirkt. Die Figur 2B zeigt ein optoelektronisches Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 weist im Vergleich zum Bauelement der Figur 2A keine weitere Barriereschicht 8 auf. In diesem Falle sind die
Quantenpunkte 5 in den anorganischen Barriereschichten 31, 32, 33, 34 eindispergiert . Insbesondere ist das Hybridpolymer ein Ormoclear. Die Figur 2C zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. In diesem Fall bedeckt die weitere Barriereschicht 8 sowohl die Oberflächen der Ausnehmung 61, die Gehäuseoberflächen 16 als auch die Oberflächen und die Seitenflächen des
Halbleiterchips 1 formschlüssig. Die anorganischen
Barriereschichten 31 bis 33 sind chipnah angeordnet, wobei den anorganischen Barriereschichten nachfolgend ein
Volumenverguss aus Hybridpolymer 43 nachgeordnet ist. In diesem Fall sind insbesondere die Quantenpunkte in den anorganischen Barriereschichten 31 bis 33, insbesondere auf dem Halbleiterchip angeordnet. Insbesondere ist das
Hybridpolymer 4 ein Ormoclear. Insbesondere passen sich die anorganischen Barriereschichten 31 bis 33 der Oberfläche des Halbleiterchips formschlüssig an.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Quantenpunkte 5 auch mit dem Hybridpolymer 4 in bereits vorhandenen
Folienstrukturen in sogenannten „Roll-to-Roll-Sheets"
miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können blau- emittierende und stabile Materialien, wie PET, verwendet werden. Damit können stabile Konversionselemente
bereitgestellt werden. Im Vergleich zu hier beschriebenen optoelektronischen
Bauelementen 100 weisen herkömmliche Bauelemente ein Glasrohr 17 mit Quantenpunkten 5 auf, die als Konversionselement auf mehrere Halbleiterchips 1 aufgebracht werden. Dies führt zu einem starren System aus Glasrohr 17, Quantenpunkt 5 und mehreren Halbleiterchips 1 (siehe Figur 2D) .
Die Figuren 3A bis 3F zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Die Figur 3A zeigt das Bereitstellen eines Substrats 11 und das Aufbringen zumindest eines Halbleiterchips 1, in diesem Fall zwei Halbleiterchips 1, auf das Substrat 11. Anschließend wird eine anorganische Barriereschicht 31 auf die Oberfläche des Substrats 11, die Oberfläche der Halbleiterchips 1 und die Seitenflächen des Halbleiterchips 1 vollständig aufgebracht. Das Aufbringen der anorganischen Barriereschicht 31 kann mittels Evaporation PECVD, ALD, PLD bei tiefen Temperaturen erfolgen.
Anschließend kann eine Schicht aufweisend das Hybridpolymer 41 und Quantenpunkte 5 ganzflächig auf die anorganische
Barriereschicht 31 aufgebracht werden. Dickere Schichten können beispielsweise mittels Spraycoating mit einer
Schichtdicke von > 10 ym aufgebracht werden. Dünnere
Schichten können beispielsweise mittels Spincoating mit einer Schichtdicke von < 10 ym aufgebracht werden.
Anschließend erfolgt das strukturierte Aushärten zumindest des Hybridpolymers 41. Das Aushärten kann mittels UV oder Temperatur oder Wärme erfolgen. Das strukturierte Aushärten kann mittels einer Maske 14 und UV-Strahlung 15 erfolgen. Damit erfolgt ein selektives und strukturiertes Aushärten der Hybridpolymerschicht 41. Anschließend können die nicht strukturierten Bereiche oder nicht ausgehärteten Bereiche entfernt werden, sodass eine selektive Schicht der Hybridpolymerschicht 41 resultiert.
Anschließend kann eine zusätzliche anorganische
Barriereschicht 32 zumindest auf die Hybridpolymerschicht 41 aufgebracht werden. Die Schritte 3B bis 3E können beliebig wiederholt werden und somit eine Schichtstruktur 7, die eine alternierende Abfolge von anorganischen Barriereschichten 31, 32, 33 und Hybridpolymerschichten 41, 42, 43 aufweist, erzeugt werden.
Die Figuren 4A und 4B zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die Figur 4A zeigt ein
Konversionselement 2, das innerhalb der Ausnehmung eines
Gehäuses 6 erzeugt wurde. Im Vergleich dazu zeigt die Figur 4B ein Konversionselement 2, das außerhalb eines Gehäuses 6 erzeugt wurde. Nach dem Erzeugen des Konversionselements 2 der Figur 4B kann das Bauelement 100 der Figur 4B in ein Gehäuse eingebracht werden. Insbesondere ist bei dem
Bauelement der Figur 4B die laterale Ausdehnung des
Konversionselements 2 und des Halbleiterchips 1 gleich groß. Die Größe des Konversionselements oder die laterale
Ausdehnung des Konversionselements kann mittels UV-Härtung bestimmt werden. Dies ist abhängig von der Maskierung und von dem Fotostrukturschritt. Nach Aufbringen der anorganischen Barriereschichten des Bauelements der Figur 4A kann ein
Volumenverguss aufweisend eine Hybridpolymerschicht
eingebracht werden, die insbesondere quantenpunktfrei ist. Insbesondere befinden sich die Quantenpunkte 5 zwischen dem Halbleiterchip und den anorganischen Barriereschichten 31, 32, 33. Gemäß einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte 5 in dem Hybridpolymer 4, insbesondere Ormoclear, eingebettet. Das Einbetten kann mittels eines Deposition Prozesses erfolgen. Dabei können beispielsweise Inkj et-Methoden oder Aerosol-Jet- Methoden genutzt werden.
Die Figuren 5A und 5B zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die Bauelemente der Figuren 5A und 5B unterscheiden sich von den Bauelementen der Figuren 2A bis 2C insbesondere dadurch, dass die Bauelemente zusätzlich ein Reflektorelement 10 aufweisen. Insbesondere umgibt das
Reflektorelement 10 den Halbleiterchip 1. Insbesondere besteht das Reflektorelement 10 aus Titandioxid. Titandioxid liegt insbesondere als Partikel vor. Insbesondere wird das Reflektorelement 10 selektiv zwischen den Seitenflächen des Halbleiterchips 1 und der Ausnehmung 61 eingebracht.
Insbesondere bedeckt das Reflektorelement 10 die
Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips nicht. Das Aufbringen kann mittels Jetting erfolgen. Anschließend können beispielsweise Schichten aus Quantenpunkte 5 und
Hybridpolymer 4 eingebracht werden. Auch eine alternierende Anordnung von anorganischen Barriereschichten 31, 32, 33 und Hybridpolymerschichten 41 ,42 43 mit oder ohne Quantenpunkte 5 ist als Verkapselungsschritt möglich. Die äußeren
Seitenflächen des Konversionselements 2 werden insbesondere durch die Seitenflächen der Ausnehmung definiert.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen und deren Merkmale können gemäß
weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im
allgemeinen Teil aufweisen. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 103 463.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
100 optoelektronisches Bauelement
I Halbleiterchip
2 Konversionselement
3 Barriereschicht
31, 32, 33... Barriereschichten
4 Hybridpolymer
41, 42, 43... Hybridpolymere oder Schichten aus Hybridpolymer 5 Quantenpunkte
61 Ausnehmung
6 Gehäuse
7 Schichtstruktur
8 weitere Barriereschicht
9 weitere Hybridpolymerschicht
10 Reflektorelement
II Substrat
12 Defekte
13 Feuchtigkeit, wie Wasser
14 Maske
15 UV und/oder Temperatur
16 Gehäuseoberfläche

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement (100) umfassend
- einen Halbleiterchip (1), der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist,
- ein Konversionselement (2), das Quantenpunkte (5) aufweist und die zur Wellenlängenkonversion von Strahlung eingerichtet sind,
- wobei das Konversionselement (2) eine Schichtstruktur (7) mit mehreren anorganischen Barriereschichten (31, 32, 33, 34) aufweist,
- wobei die anorganischen Barriereschichten (31, 32, 33, 34) durch ein Hybridpolymer (4) zumindest bereichsweise räumlich voneinander separiert sind, wobei das Hybridpolymer (4) organische und anorganische Bereiche aufweist, die kovalent miteinander verbunden sind,
- wobei die Quantenpunkte (5) in dem Hybridpolymer (4) und/oder zumindest in einer der Barriereschichten (31, 32,
33, 34) eingebettet sind.
2. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip (1) in einer Ausnehmung (61) eines Gehäuses (6) angeordnet ist und das Konversionselement (2) im Strahlengang des Halbleiterchips (1) angeordnet ist, wobei die Schichtstruktur (7) des Konversionselements (2)
mindestens zehn anorganische Barriereschichten (31, 32, 33,
34, 35, 36, 37, 38, 39, 311) aufweist, wobei die
Schichtstruktur (7) eine alternierende Schichtenfolge aus anorganischer Barriereschicht (31, 32, 33, 34) und einer Schicht aufweisend das Hybridpolymer (41, 42, 43, 44)
aufweist, wobei eine weitere Barriereschicht (8) die
Oberflächen der Ausnehmung (61) des Gehäuses (6) und/oder die Oberflächen des Halbleiterchips (1) formschlüssig bedeckt.
3. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 2, wobei die weitere Barriereschicht (8) zusätzlich die äußere Oberfläche des Gehäuses (6) formschlüssig bedeckt.
4. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip (1) in einer Ausnehmung (61) eines Gehäuses (6) angeordnet ist und das Konversionselement (2) im Strahlengang des Halbleiterchips (1) angeordnet ist, wobei die Schichtstruktur (7) des Konversionselements (2)
mindestens zehn anorganische Barriereschichten (31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 311) aufweist, die eine alternierende Schichtenfolge aus einer anorganischer Barriereschicht (31, 32, 33) und einer Schicht aufweisend das Hybridpolymer (41, 42, 43) bilden, wobei zumindest eine weitere Schicht (9) aufweisend das Hybridpolymer (9) die Oberflächen der
Ausnehmung (61) des Gehäuses (6) und/oder die Oberflächen des Halbleiterchips (1) formschlüssig bedeckt.
5. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die weitere Schicht (9) eine Dicke im Querschnitt aufweist, die zwischen einschließlich 100 ym und
einschließlich 1000 ym beträgt.
6. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die weitere Schicht (9) eine homogene Schichtdicke zwischen einschließlich 0,2 ym und einschließlich 100 ym aufweist.
7. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte (5) einen Anteil zwischen 0,001% und 5 Gew% in dem Hybridpolymer (4) aufweisen.
8. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die anorganischen Barriereschichten (31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 311) jeweils ein Material aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Siliziumdioxid,
Aluminiumoxid, Titanoxid, Zink-Zinn-Oxid, Siliziumnitrid und Kombinationen daraus umfasst.
9. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Hybridpolymer (4) ein Ormocer ist.
10. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionselement (2) im Strahlengang des
Halbleiterchips (1) angeordnet ist, wobei die Schichtstruktur (7) zumindest zwei alternierende Schichtenfolgen aus
anorganischer Barriereschicht (31) und einer Schicht
aufweisend das Hybridpolymer (41) aufweist, wobei die
Seitenflächen des Halbleiterchips (1) und die Seitenfläche des Konversionselements (2) im Querschnitt eine gleiche laterale Ausdehnung aufweisen und von einer weiteren
Barriereschicht (8) formschlüssig bedeckt sind.
11. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
das in einem Gehäuse (6) einer Ausnehmung (61) einbringbar ist .
12. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Halbleiterchip (1) in einer Ausnehmung (61) eines Gehäuses (6) angeordnet ist und das Konversionselement (2) im Strahlengang des Halbleiterchips (1) angeordnet ist, wobei die Schichtstruktur (7) zumindest eine alternierende
Schichtenfolge aus anorganischer Barriereschicht (31) und einer Schicht aufweisend das Hybridpolymer (41) aufweist, wobei eine weitere Barriereschicht (8) die Oberflächen der Ausnehmung (61) des Gehäuses (6) und/oder die Oberflächen und Seitenflächen des Halbleiterchips (1) formschlüssig bedeckt, wobei lateral zum Halbleiterchip (1) beabstandet ein
Reflektorelement (10) angeordnet ist, das die Seitenflächen des Halbleiterchips (1) umgibt.
13. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit den
Schritten :
A) Bereitstellen eines Substrats (11),
B) Aufbringen von zumindest einem Halbleiterchip (1) auf das Substrat (11),
C) Aufbringen einer anorganischen Barriereschicht (31) auf das Substrat (11) und den Halbleiterchip (1),
D) Aufbringen einer Schicht eines Hybridpolymers (4), das organische und anorganische Bereiche aufweist, die kovalent miteinander verbunden sind, wobei Quantenpunkte (5) in dem Hybridpolymer (4) eingebettet sind,
E) strukturiertes Aushärten zumindest des Hybridpolymers (4) mittels UV oder Wärme,
F) Aufbringen von zusätzlichen Barriereschichten (32, 33, 34) und zusätzlichen Schichten aufweisend das Hybridpolymer (42, 43, 44), so dass eine Schichtstruktur aus einer
alternierenden Abfolge von Barriereschichten (31, 32, 33, 34) und Schichten aufweisend das Hybridpolymer (41, 42, 43, 44) erzeugt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei die Verfahrensschritte A) bis F) nacheinander erfolgen und die Temperatur jedes Verfahrensschrittes maximal 100 °C ist .
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