WO2019030008A1 - Optoelektronisches halbleiterbauteil und biometrischer sensor - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauteil und biometrischer sensor Download PDF

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WO2019030008A1
WO2019030008A1 PCT/EP2018/070324 EP2018070324W WO2019030008A1 WO 2019030008 A1 WO2019030008 A1 WO 2019030008A1 EP 2018070324 W EP2018070324 W EP 2018070324W WO 2019030008 A1 WO2019030008 A1 WO 2019030008A1
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WO
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lens
semiconductor chip
reflector
recess
radiation
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PCT/EP2018/070324
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English (en)
French (fr)
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Thomas Kippes
Claus Jäger
Jason RAJAKUMARAN
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H01L33/60—Reflective elements
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/18—Eye characteristics, e.g. of the iris
    • G06V40/19—Sensors therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT AND BIOMETRIC SENSOR An optoelectronic semiconductor device is specified. Furthermore, a biometric sensor, in particular a
  • An object to be solved is to provide an optoelectronic semiconductor device which is compact and stable.
  • this includes
  • Optoelectronic semiconductor device one or more optoelectronic semiconductor chips.
  • the at least one optoelectronic semiconductor chip is preferably set up for generating radiation, for example for generating near-ultraviolet radiation, visible light and / or near-infrared radiation.
  • the semiconductor chip can also be a detector chip for detecting radiation, for example a single-channel one
  • emitting and radiation detecting semiconductor chips are combined in the semiconductor device.
  • this includes
  • Optoelectronic semiconductor device a reflector.
  • the Reflector is for the reflection of radiation coming from the
  • Semiconductor chip is emitted, and / or radiation, which is to be detected by the semiconductor chip, set up.
  • the reflector comprises a reflective coating, in particular of one or more
  • the reflective coating may be applied to a base body of the reflector.
  • the base body is in particular made of an injection-molded plastic.
  • the base body can, in addition to injection molding, on other
  • the reflector has one or more reflector recesses.
  • the at least one semiconductor chip is in the at least one
  • Reflector recess placed. If there are a plurality of semiconductor chips and a plurality of reflector recesses, then one can
  • the at least one lens is partially or, preferably,
  • the lens preferably does not project beyond the reflector recess.
  • the lens has one or more lens recesses.
  • the semiconductor chip In or at the at least one Linsenausströmung the semiconductor chip is attached. If there are several lens recesses, then, as with the reflector recesses, one preferably lies
  • Associated semiconductor chips of a single lens recess in particular similar semiconductor chips.
  • Boundary surfaces of the lens is cut.
  • the fact that the semiconductor chip is located on the lens recess means, for example, that the lens recess completely or partially covers the associated semiconductor chip in plan view and / or that a maximum distance between the semiconductor chip and the lens inner wall is at most 0.3 mm or 0.2 mm or 0.1 mm and / or that a maximum
  • Distance between the semiconductor chip and the lens along the optical axis is at most 0.3 mm or 0.2 mm or 0.1 mm.
  • this includes
  • a bonding agent such as an adhesive, for example, based on silicone or based on a
  • Epoxy resin or as a cover plate, which covers the lens and the reflector together.
  • the lens is attached by means of the connecting means to the reflector, preferably irreversibly attached. That is, in the intended use, the lens dissolves due to the bonding agent not from the reflector. In particular, the lens is not destructive and / or not tool-free removable from the reflector.
  • the lens has a lens outer side.
  • the reflector has a
  • Reflector inner wall wherein the reflector inner wall is a boundary surface of the reflector recess.
  • the lens outer side faces the reflector inner wall.
  • the reflector inner wall and the outside of the lens do not touch each other. That is, between the
  • Reflector inner wall and the lens outer side is preferably a distance, in particular continuously. According to at least one embodiment, this is
  • Connecting means partially or completely between the reflector inner wall and the lens outer side. That is, via the connecting means, the distance between the
  • Reflector inner wall and the lens outside preserved and / or adjustable.
  • the connecting means may be partially or completely outside the reflector recess.
  • the at least one optoelectronic semiconductor chip does not touch the lens. That is, the lens is not in direct physical contact with the semiconductor chip. The semiconductor chip is thus arranged at a distance from the lens. In accordance with at least one embodiment, a gap between the reflector and the lens is only partially with the reflector
  • Filling agent filled For example, that fills up
  • the gap is preferably totally reflective. Therefore, the gap is just such a
  • Optoelectronic semiconductor device at least one
  • a lens is located at least partially in the reflector recess.
  • the lens has a Linsenaus originallyung, in or on the
  • the lens is fastened to the reflector with a connecting means.
  • the lens has a reflector inner wall of the
  • Connecting means is preferably at least partially between the reflector inner wall and the lens outer side.
  • the lens touches the at least one opto-electronic
  • the specified semiconductor device can be made compact and is mechanically stable. In particular, that has
  • the lens is glued usually only at the four corners of the reflector and is raised above this reflector.
  • the glued lens is very susceptible to external forces, for example, against contact with tools, which can lead to failure of the semiconductor device in a final assembly.
  • a lens designed in particular for internal total reflection is glued into the reflector.
  • the lens is preferably designed such that it and the reflector fit into one another in a form-fitting manner and a large part, ideally 100%, of the lens is sunk into the reflector.
  • the reflector and the lens together form an optical element.
  • the lens By sinking the lens in the reflector, the lens is practically inaccessible to external, lateral
  • Reflector and the lens is formed a quasi-monolithic optical element.
  • a gap between the reflector and the lens is in particular only partially filled with adhesive, so the connecting means.
  • a surface available for the gluing and adhesion of the lens to the reflector can be increased significantly, as a result of which the lens can be anchored more reliably in the reflector.
  • the optical element, composed of the reflector and the lens, can already before mounting on a
  • the semiconductor device has an emitter for lighting tasks, for example for an iris scan, and at least one further emitter, optionally in addition also a detector
  • one or more of the emitters for each emitter becomes one
  • TIR stands for internal
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • semiconductor components can be produced with a flat surface, a space saving through the combination of two emitters, which share a common look, is reachable
  • Semiconductor component is thus compact in structure. Furthermore, there are cost advantages in the production of the semiconductor device, in particular because of the combination of at least two emitters which share the lens in the
  • proximity sensor also referred to as proximity sensor
  • Two or more emission characteristics can be realized within a component with a lens. It is open
  • the emitters ie the semiconductor chips, can emit the same or different wavelengths.
  • advantages in industrial design can be achieved, for example, from smartphones or tablets.
  • a perceived by the customer as disturbing hole in a cover can be omitted.
  • semiconductor devices with proximity function with different ranges.
  • the semiconductor device This makes it possible to achieve a reduction in the required installation space and, for example, to create space for further functions or sensors on smartphones.
  • Face recognition English Face Recognition, with a long-range (in particular 0.5 m to 1 m) Proximity function for detecting objects in the detection range of the corresponding camera done. Camera and IRED are only switched on if an object or a person is in the detection area. Because of compared to
  • the second semiconductor chip in particular the VCSEL, has a relatively large distance from the detector, an optical crosstalk, for example through a cover glass, is very small.
  • the gap in particular as seen in cross-section, along its
  • a constant width Longitudinal extent a constant width. This is especially true with a tolerance of at most 30% or 15% of a mean width of the gap. That is, due to the gap, a distance between the reflector and the lens along the outside of the lens is constant or nearly constant. This preferably applies to the entire outside of the lens or to at least 80% or 90% of the outside of the lens.
  • the width of the gap is alternatively or additionally also to the carrier constant, with a different width can be present to the carrier than between the reflector and the lens.
  • the gap towards the carrier can also be omitted, so that the reflector can sit on the support.
  • the lens and the connecting means have a similar or the same
  • Reflector inner wall of the reflector is mirrored.
  • Similar refractive indices preferably means that the refractive index of the lens and the refractive index of the bonding agent differ by at most 0.2 or 0.1 or 0.05 or 0.02. This applies in particular to a maximum intensity wavelength of an operation of the semiconductor chip generated radiation and preferably at room temperature, ie 300 K. Similar or the same refractive indices are
  • the lens and the connecting means are based on the same material or on the same material system, for example, in each case on a silicone or an epoxy resin or an acrylic.
  • Lens outer side are partially or completely to a total reflection of the semiconductor chip in operation
  • the reflector preferably has no optical function and in these regions the radiation produced preferably does not reach the reflector or only a small part of the reflector.
  • the reflector is in regions covered by the connection means
  • Lens outer side to a reflection set up the radiation generated by the semiconductor chip in operation. That is, the radiation generated preferably passes through the lens and through the connecting means to the reflector inner wall and is reflected there back into the connecting means and through the lens and is then preferably on a side facing away from the semiconductor chip lens top of the
  • the connecting means is preferably transparent to the radiation generated during operation. According to at least one embodiment, the
  • Lens recess in which the semiconductor chip is located, free of the connecting means.
  • This preferably also means that the semiconductor chip is spaced from the connection means and does not touch the connection means.
  • the connecting means is not enough up to
  • the connecting means may be spaced from a carrier on which the semiconductor chip is mounted.
  • an optical axis of the lens is arranged obliquely to a mounting plane of the semiconductor chip.
  • an angle between the mounting plane and the optical axis is at most 88 ° or 86 ° or 84 °. Alternatively or additionally, this angle is at least 45 ° or 60 ° or 75 °.
  • a main emission direction of the lens, and thus preferably of the semiconductor component is slightly tilted relative to a mounting plane.
  • the mounting plane can be perpendicular to a growth direction of a semiconductor layer sequence of
  • Lens recess formed rotationally symmetrical about the optical axis of the lens around. The same can be done for the
  • a bottom side of the lens is aligned perpendicular to the optical axis of the lens. This makes it possible that the bottom side oblique to
  • Mounting level is aligned.
  • the bottom side can perform an optical function, but can also be optically unfunctionalized. This means that the optical effect of the lens can be caused only by the lens recess, the lens top and the lens outside, without a significant influence of the bottom side.
  • the gap wedge-shaped and / or triangular that is, the bottom side touches the mounting side then not or only in places.
  • the gap is a gas-filled gap, in particular an air gap or a gap filled with a protective gas such as nitrogen or argon or also with dried air.
  • a protective gas such as nitrogen or argon or also with dried air.
  • the gap may be evacuated, with no
  • the bottom side is entirely of the carrier on which the semiconductor chips
  • the lens touches the carrier of the semiconductor chips and the
  • the reflector top and the lens top can each planar, that is flat, be shaped. Alternatively or additionally, it is possible for the reflector upper side and / or the upper side of the lens to run parallel to the mounting plane. According to at least one embodiment, the
  • Lens recess a preferably frustoconical
  • Lens inner wall on.
  • An angle between the lens inner wall and the optical axis of the lens is seen in cross-section, for example, at least 2 ° or 5 ° and / or at most 20 ° or 12 °.
  • Lens inner wall and the lens outer wall is for example at least 25 ° or 35 ° and / or at most 70 ° or 55 °. This is especially true for areas of
  • Assembly level extend away like the lens inner wall. That is, in determining this mean angle, portions of the outside of the lens farther from the mounting plane may be neglected. According to at least one embodiment, the
  • Lens recess on a cover surface faces the semiconductor chip.
  • an optical axis of the semiconductor chip and / or a direction of maximum emission intensity of the semiconductor chip pass through the cover surface, in particular centrally through the latter
  • the lid surface is preferably convex
  • a distance between the cover surface and the semiconductor chip is at least 0.1 times or 0.3 times or 0.5 times or 0.7 times a diagonal length of the semiconductor chip. Alternatively or additionally, this distance is at most three times or twice or 1.5 times the diagonal length of the semiconductor chip. This distance is determined in particular along the optical axis of the lens and / or of the semiconductor chip. The diagonal length is
  • the lens is in
  • the lens has a greatest extent along a longitudinal axis and a smallest extent along a transverse axis.
  • the longitudinal axis can be oriented perpendicular to the transverse axis. A quotient of the largest extent and the smallest
  • Expansion is preferably at least 1.05 or 1.1 and / or at most 5 or 3 or 1.5 or 1.3. In other words, the dimensions do not differ too much along the longitudinal axis and along the transverse axis.
  • the lens has planar lens side surfaces from a side facing away from the semiconductor chip, in particular from the lens top side.
  • the lens side surfaces are preferably oriented parallel to the optical axis of the lens. Preferred are the
  • Lenseneat lake also parallel to the longitudinal axis
  • edges of the lens side surfaces parabolic or hyperbolic shaped.
  • An edge of the lens side faces facing away from the semiconductor chip preferably runs straight, in particular parallel to
  • the lens has a plurality of lens recesses and the lens recesses are preferably uniquely associated with the semiconductor chips.
  • the lens has a lens plateau on a side facing away from the semiconductor chip. Seen in plan view, the lens plateau has a polygonal shape, for example a rectangular, square or hexagonal shape.
  • the lens plateau is designed to anchor the lens to the reflector.
  • the lens plateau is formed of portions of the lens on the top of the lens, which face each other
  • Lens outer side extending away from the optical axis of the lens.
  • the lens plateau is preferably aligned parallel to the mounting plane. For example, that is
  • Lens plateau designed as a plane-parallel plate or protuberance out of the lens outer side on the lens top.
  • the semiconductor chip is set up to emit radiation having a maximum intensity wavelength of at least 750 nm or 800 nm.
  • the maximum intensity wavelength is at most 1.1 ⁇ m or 980 nm or 850 nm. That is, the semiconductor chip may include near-infrared radiation
  • the wavelength is maximum
  • Semiconductor chips for generating green light is set up, for example, for a pulse measurement of a carrier of the semiconductor device.
  • the semiconductor chip or one of the semiconductor chips is a light-emitting diode chip. That is, from the semiconductor chip is
  • the semiconductor chip or is one of
  • the reflector inner wall can be flat.
  • Abstrahlwinkel Scheme of the semiconductor device and / or one of the semiconductor chips or of several or all of the semiconductor chips an opening angle of at least 5 ° or 10 ° or 15 ° or 25 °. Alternatively or additionally, this opening angle is at most 100 ° or 80 ° or 50 °. In other words, a comparatively directed radiation into a small solid angle range takes place through the semiconductor component. For example, at least 80% or 90% of the emitted from the semiconductor device
  • the semiconductor component comprises one or more first semiconductor chips for emitting a first radiation.
  • one or more second semiconductor chips for emitting a second radiation are present. The at least one first and the at least one second semiconductor chip are thus
  • the first and second semiconductor chips have different optical properties from each other
  • Radiation angle ranges on. According to at least one embodiment, the
  • This plane may be oriented obliquely to the optical axis of the lens. Preferably, this plane is parallel to a
  • the first semiconductor chip may be an IRED chip.
  • the second semiconductor chip for generating visible light such as blue, green, yellow or red light and / or to
  • the radiation emitted by the second semiconductor chip is preferably coherent, so that the second semiconductor chip may be a laser.
  • the second semiconductor chip is also an LED chip or an IRED chip.
  • the lens cavity preferably does not overlap with the at least one second semiconductor chip.
  • the lens has a secondary plateau in addition to the centrally arranged lens recess.
  • the secondary plateau represents a light entry surface for the second semiconductor chip.
  • the secondary plateau is located outside and in plan view next to the
  • the secondary plateau is provided with an optically active structure.
  • the optically effective structure is about a lens such as a convex lens or a concave lens or a
  • the optically active structure is a diffractive optical element, short DOE, or a roughening.
  • the optically active structure is closer to the first and / or second
  • the sub-plateau may precede the lid surface along the optical axis of the lens.
  • a diameter of the secondary plateau seen in plan view is at most 40% or 30% or 10% of a diameter of the lens recess. This is especially true at the bottom side of the lens.
  • biometric sensor comprises one or more of the
  • the biometric sensor comprises an optoelectronic semiconductor component and a detector.
  • the detector is preferably designed multichannel, for example as a CCD.
  • the detector is configured to detect a radiation emitted by the semiconductor device and reflected by a human eye and / or face.
  • the sensor which is in particular an iris scanner or a face recognition unit, may have a data processing unit via which a Identification of the human eye and / or the face is based on the data obtained from the detector.
  • the detector can be provided with a corresponding optics.
  • the optoelectronic semiconductor component used in a scanner for facial recognition or an iris scanner or a pulse measuring device, realized by the biometric sensor.
  • the optoelectronic semiconductor component and the detector can be a coherent, mechanically common
  • the optoelectronic semiconductor component and the detector can be arranged at a distance from one another, for example at a distance of at least 2 cm or 5 cm or 15 cm and / or from one another
  • Semiconductor device and the detector for example, as separate subcomponents of the biometric sensor installed, such as at various locations in a housing that includes the biometric sensor, such as at various points of a
  • the senor comprises one or more of the semiconductor components with a first and a second semiconductor chip.
  • Semiconductor chip can be designed as a light source for iris recognition or face recognition.
  • Semiconductor chip is in particular a light source for a proximity sensor. There can be several proximity sensors especially for different distance ranges.
  • detectors may be present, for example one detector for each function.
  • a multi-channel detector such as a CCD chip is preferably present.
  • the function as a proximity sensor can be a single-channel
  • Detector be present, in the case of several
  • the at least one detector or at least one of the detectors is in one
  • Detector recess of the reflector attached. In the case of multiple detectors, each detector can have its own
  • Detector recess be present.
  • Detector recess is seen in plan view preferably adjacent to the reflector and can be optically isolated from this, so that the radiation emitted by the semiconductor chips radiation does not reach a direct route to the detector.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a
  • FIGS 2, 3 and 5 are schematic side views of
  • FIGS 4, 6 and 7 are schematic sectional views of
  • Figure 8 is a schematic perspective view of a
  • FIG. 9 is a schematic sectional view of a lens for a semiconductor device described herein.
  • Figure 10 is a schematic sectional view of a
  • Figures 11 and 12 are schematic sectional views of
  • Figure 13 is a schematic perspective view of a
  • Figure 14 is a schematic plan view of a
  • Figure 15 is a schematic representation of beam paths in an embodiment of one here
  • Figure 16 is a schematic representation of a
  • Figure 17 is a schematic sectional view of a
  • FIGS. 18 and 19 are schematic sectional views of
  • the semiconductor device 1 comprises a carrier 6 with a
  • the semiconductor chip 2 is preferably a light-emitting diode chip for emitting radiation having a maximum intensity wavelength of 810 nm.
  • a reflector 3 is further attached, which has a reflector recess 30. The semiconductor chip 2 is mounted in the reflector recess 30.
  • Reflector recess 30 is bounded by reflector inner walls 31.
  • the reflector inner wall 31 is preferably coated with a metallic coating to a specular reflection of radiation.
  • the lens 4 comprises a lens recess 40, in which the
  • Semiconductor chip 2 is arranged. The touches the
  • Reflector top 35 off.
  • the reflector top 35 and the lens top 45 lie in a common plane.
  • Along a transverse axis Q are the smallest extent
  • optical axes 33, 44 of the reflector 3 and the lens 4 perpendicular to the mounting plane 60 and perpendicular to
  • the lens recess 40 faces away from the
  • the optical axis 44 penetrates a cover surface 43 of the lens recess 40, which is convexly curved and which is located above the semiconductor chip 2.
  • the lens 4 and the reflector 3 are arranged tilted relative to the mounting plane 60.
  • An angle between the mounting plane 60 and the optical axes 33, 44 is for example at 84 °, see in particular Figure 3.
  • the lens 4 is fixed in the reflector 3 by means of a connecting means 5.
  • the connecting means 5 is preferably limited to the reflector recess 40.
  • Connecting means 5 extending from the lens top 45 extends, for example, at most 20% or 30% along the optical axes 33, 44 toward the
  • Clear silicone is, for example
  • Reflector inner wall 31 and the lens outer side 41 is
  • the connecting means 5 covers only part of the
  • Reflector inner wall 31 is arranged for the reflection of radiation generated during operation. In the not of that
  • Connecting means 5 covered areas is used
  • Lens outer side 41 for total reflection of radiation.
  • most of the reflector inner wall 31 and the lens outer side 41 is a gap, in particular a
  • the lens 4 thus fills the reflector recess 30 only partially.
  • Reflector 3 and the lens 4 equally opposite to Mounting level 60 tilted and preferably run congruent.
  • the mounting plane 60 preferably does not touch or only in a small area. Since the lens 4 is tilted with respect to the mounting plane 60, a wedge-shaped air gap 7, seen in cross section parallel to the longitudinal axis L, forms on the mounting plane 60 towards the bottom side 46, see FIG. 3.
  • the lens 4 is cut off on both sides parallel to the longitudinal axis L, so that planar lens side surfaces 48 are formed parallel to the optical axes 33, 44 and parallel to the longitudinal axis L, see FIGS. 1 and 3. Towards the semiconductor chip 2, they widen
  • Lens side surfaces 48 An edge of the lens side surfaces 48 facing the semiconductor chip 2 is approximately
  • Lensenodor vom 48 not contribute to beam shaping, but only be used as an adhesive surface.
  • the connecting means 5 is optionally limited to the lens side surfaces 48. At the lens side surfaces 48, the
  • Reflector inner wall 31 free of a reflective
  • connection means 5 may extend to the mounting plane 60.
  • the lens outer side 41 is completely covered by the connecting means 5.
  • This configuration is less preferred than the configuration of Figures 1 to 3, according to which the connecting means 5 is limited to an area near the lens top 45.
  • a cover plate 81 is present. The cover plate 81 is seated on the reflector top 35.
  • Cover plate 81 is a detachment of the lens 4 from the
  • Reflector 3 out efficiently prevented.
  • the cover plate 81 is glued to the lens 4 and the reflector 3.
  • Cover plate 81 and the lens 4 are integrally formed and integrally.
  • electrical contact surfaces 62 are preferably present on both sides of the carrier 6, which are connected to one another via electrical feedthroughs.
  • the connecting means 5 is in an area near the connecting means 5
  • Lens outer side 41 almost completely set up for total reflection of the radiation emitted by the semiconductor chip 2 radiation.
  • a kink 37 is present.
  • the Connecting means 5 may be limited to a region which is farther away from the semiconductor chip 2 than the kink 37.
  • the kink 37 preferably forms an all-round step on the lens outer side 41 as well as on the
  • Lens outer side 41 above the bend 37 in the direction of the lens top 45 has no or only a subordinate optical function, as it may equally apply to the reflector inner wall 31 in this area.
  • Reflector inner wall 31 continuously up to the topsides 35, 45 extend.
  • the lens 4 has a plurality of lens recesses 40, in each of which one of the semiconductor chips 2 is mounted.
  • the reflector has only one reflector recess 30, in which the one-piece lens 4 is located.
  • Semiconductor chips 2 may be identical or different and, for example, for radiation
  • Reflector recesses 30 available.
  • the reflector 3 also extends to an area between adjacent ones
  • Semiconductor chips 2 is optional to an improved
  • Connecting means 5 available.
  • the lens 4 is in turn formed in one piece and extends continuously over all Reflektorausappellus 30 away, so that the area of the reflector 3 between the semiconductor chip 2 does not reach to the reflector top 35.
  • the connecting means 5 With regard to the design of the connecting means 5, the optical axes 33, 44, the lens recess 40 and the lens side surfaces 48, the explanations regarding the
  • Lens plateau 49 is formed.
  • the lens plateau 49 extends away from the lens outer side 41 and is designed, for example, rectangular in plan view.
  • the lens plateau 8 is shaped like a plane-parallel rectangular plate. Notwithstanding the representation of FIG. 8, the lens plateau 8 can also be provided via the lens side surfaces 48
  • the reflector not shown in FIG. 8, preferably has a negative mold to the lens plateau 49, so that increased adhesion between the reflector 3 and the lens 4 can be achieved.
  • the reflector thereby rotates around the lens plateau 49 preferably all around and can be flush with the lens top 45, not drawn.
  • FIG. 9 illustrates that the lens outer side 41 is straight in cross-section, as can be equally valid for the reflector inner wall.
  • the lens top 45 is curved, so that the Lens upper side 45 together with the lid surface 43 is a biconvex lens. A corresponding design is possible in all other embodiments. If the lens top 45 is curved, it is still possible for the lens 4 to be completely in the
  • Reflector recess is not shown in Figure 9.
  • the reflector with the edge between the lens outer side 41 and the lens top 45 complete so that the lens top 45 then projects beyond the reflector, just as little drawn.
  • FIG. 10 illustrates a biometric sensor, which is preferably an iris scanner 10.
  • the iris scanner 10 comprises one of the semiconductor components 1, approximately as illustrated in connection with FIGS. 1 to 9. Furthermore, the iris scanner 10 has a detector 8, for example a CCD element. From the semiconductor device 1, a radiation R is emitted towards a human eye 9, reflected there and received by the detector 8. This identification of a user based on the reflected radiation R is possible.
  • the semiconductor device 1 and the detector 8 may be located directly next to each other or, for example, a few cm apart.
  • the first semiconductor chip 2a is preferably a light-emitting diode chip for generating near-infrared radiation, or IRED chip for short.
  • the second semiconductor chip 2b is in particular a VCSEL, likewise for generating near-infrared radiation.
  • the second semiconductor chip 2b preferably has a field or array of single emission surfaces or resonators, the
  • the second VCSEL can be controlled jointly or independently.
  • the second VCSEL can be controlled jointly or independently.
  • Semiconductor chip 2b may be an edge emitting laser, a DFB laser or a LED chip.
  • the first semiconductor chip 2a serves as
  • a plurality of second semiconductor chips 2b for example, to detect different distances of an object to the semiconductor device 1 may be present.
  • Semiconductor chips 2a, 2b may be mounted together on the carrier 6.
  • the carrier 6 is preferably a printed circuit board, PCB for short.
  • a drive circuit (not shown) and / or an electronic evaluation unit can be located on or in the carrier 6.
  • the first semiconductor chip 2a is located at
  • Lens recess 40 as well as in Figures 6 and 7, but may also be located in the lens recess 40. A distance from side edges 27 of a support 6 facing away from the top of the semiconductor chip 2 to bottom edges 28 of
  • the side edges 27 of the semiconductor chip and almost touch the lower edges 28 of the lens inner wall 42. Furthermore, as in FIG. 2, the side edges 27 of the semiconductor chip 2 can lie in the lens recess 40.
  • the air gap 7 between the lens 4 and the reflector 3 is preferably present, but can also be omitted. The same applies to all other embodiments.
  • a secondary plateau 24 of the lens 4 is a secondary plateau 24 of the lens 4.
  • the secondary plateau 24 may be formed flat and / or parallel to the mounting side 60 of the support. 6
  • the secondary plateau 24 can emanate directly from the lower edges 28 of the inner lens wall 42.
  • the secondary plateau 24 is small.
  • the secondary plateau 24 serves as a light entry surface for the second semiconductor chip 2b. Since it is a second
  • Radiation R2 from the second semiconductor chip 2b is preferably a laser radiation
  • the second radiation R2 is, if possible, already collimated before entering the lens 4, so that a collection effect by the lens 4 need not be very pronounced.
  • the second radiation R2 passes through the lens 4, without coming into contact with the lens outer side 41, apart from negligible stray light. That is, the lens 4 acts as intended only with the secondary plateau 24 and the lens top 45 on the second radiation R2.
  • the first radiation Rl which is generated by the first semiconductor chip 2a, partially reaches the lens outer side 41 and is totally reflected there at the air gap 7. Is no air gap 7
  • FIGS. 1 to 8 correspondingly to FIG. 11. Differing from FIG. 11, it is shown in FIG. 12 that the secondary plateau 24 is not flat but lens-shaped, in particular a concave lens. Notwithstanding Figure 12 may also be a convex lens or a freeform lens
  • the lower edge 28 of the inner lens wall 42 is designed asymmetrically, so that the lower edge 28 is further away from the mounting side 60 toward the second semiconductor chip 2b than the lower edge 28 in FIG. 12 on the right.
  • the lens 4 of FIG. 12 accommodated in the reflector 3 is shown in three dimensions.
  • the lens 4 has, as in particular in Figures 1 and 3 to save space on the smooth lens side surfaces 48 and has for the first semiconductor chip 2a on a tilted optical axis.
  • the area around the secondary plateau 24 makes up only a small part of the lens 4, so that a lens without
  • FIG. 12 a plan view of the lens 4 of Figure 12 is shown in FIG. It can be seen in particular that left in Figure 14 due to the tilting of the optical axis a slope of the lens outer side 41 is greater than on the right in Figure 14 page. Thus lies the second
  • Lens outer side 41 is the largest. That is, the optical axis of the lens 4 for the radiation Rl of the first
  • Semiconductor chips 2a may point away from the second semiconductor chip 2b, thus pointing to the right in FIG.
  • the first semiconductor chip 2 a can be shaped rectangular in plan view and be oriented with longitudinal sides parallel to the lens side surfaces 48. Shorter transverse sides run parallel to the second semiconductor chip 2b, which may be square-shaped in plan view.
  • FIG. 15 a radiation of the radiation R 1, R 2 by the two semiconductor chips 2 a, 2 b within the lens 4 is illustrated schematically by means of exemplary beam progressions. It can be seen that the first semiconductor chip 2a has a Lambert 'or essentially a Lambert' see radiation characteristic, that is almost on one
  • part of the first radiation R 1 also reaches the carrier 6 due to reflections, but predominantly via the lens inner wall 42 to the lens outer side 42 and then to the lens top 45 or via the lid surface 43 directly to the lens top side 45
  • FIG. 16 shows the associated emission characteristic, that is to say an intensity I in arbitrary units over a radiation angle a. From FIG. 16A it can be seen that the radiation through the first semiconductor chip 2a is tilted in one direction, for example with a tilt angle of 8 °. In contrast, the second radiation R2 of the second semiconductor chip 2b is emitted perpendicular to the mounting side 60 and thus without tilting.
  • An emission angle range for the second radiation R2 is about 48 °, full width at half height, short FWHM. This value is about 62 ° for the first radiation R1 along the tilting direction and about 38 ° in the direction perpendicular thereto. That is, the first radiation Rl can illuminate an elliptical area and the second
  • Radiation R2 a circular area.
  • the first radiation R 1 can be more concentrated than the second radiation R 2 and, along at least one other direction, less concentrated than the first radiation R 1.
  • the secondary plateau 24 is provided with a diffractive optical element, DOE for short, as an optically active structure 25 in order to effect a widening of the second radiation R2.
  • a roughening may be present on the secondary plateau 24. Less preferred, but still possible, is an alternative or additional roughening on the lens top side 45.
  • FIG. 18 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • the semiconductor chips 2a, 2b, the lens 4 and the reflector recess 30 are preferably configured as explained in FIGS. 11 to 17,
  • the reflector 3 has a detector recess 38, in which two detectors 8a, 8b are present, alternatively only one detector.
  • Detectors 8a, 8b are, for example, a CCD chip and a photodiode.
  • a material of the reflector 3 an optical shielding of the semiconductor chips 2a, 2b of the
  • Detectors 8a, 8b may be mounted on a different carrier 6b than the
  • a cover plate 81 is optionally present, as is possible in all other embodiments.
  • Cover plate 81 may cover the entire reflector 3 and thus also the detector recess 38. According to Figure 18, the cover plate 81 is designed continuously. Alternatively, between the reflector recess 30 and the
  • Detector recess 38 are also an optical isolation in the cover plate 81 or there are two cover plates available.
  • cover plate 81 is permeable only to near-infrared radiation and / or only to radiation generated by the semiconductor chips 2a, 2b.
  • a coating 82 may be present.
  • the coating 82 may be limited to the detector recess 38 or may be present on the reflector recess 30.
  • the coating 82 is an optical filter layer or an antireflective layer.
  • the coating 82 is an optical filter layer or an antireflective layer.
  • Cover plate 81 is not a plane-parallel plate, but has a structuring, for example, a roughening or in the region of the detector recess 38 and / or the
  • Reflektoraus originallyung 30 a lens shape as a Fresnel lens.
  • the detector recess 38 is preferably evacuated or gas-filled, but may also be partially or completely filled with a casting, not drawn, filled.
  • FIG. 19 illustrates that no air gap exists between the lens 4 and the reflector 3 on the outside of the lens 41.
  • a plurality of first semiconductor chips 2a may be present, which are densely arranged in a field, for example. Another option is the
  • the secondary plateau 24 can be located further from the carrier 6 than the lower edge 28 of the lens inner wall 42, so that the secondary plateau 24 is set back relative to the lower edge 28.
  • the lower edge 28 seen in plan view may extend circularly or as an ellipse around the first semiconductor chip 2a around.
  • a distance between the second semiconductor chip 2b and the secondary plateau 24 can be set via the optional step in the mounting plane 60.
  • the detector or detectors 8a, 8b may be mounted outside the reflector 3 on the carrier 6, for example in the same plane as the first semiconductor chips 2a.
  • a potting 83 is present, which the detectors 8a, 8b covered.
  • the potting 83 may be designed lens-shaped and / or contain an optical filter material.

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Abstract

In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil (1) einen optoelektronischen Halbleiterchip (2) sowie einen Reflektor (3) mit einer Reflektorausnehmung (30), in der der Halbleiterchip (2) angebracht ist. Eine Linse (4) befindet sich mindestens zum Teil in der Reflektorausnehmung (30). Die Linse (4) weist eine Linsenausnehmung (40) auf, in oder an der der Halbleiterchip (2) angebracht ist. Die Linse (4) ist mit einem Verbindungsmittel (5) an dem Reflektor (3) befestigt. Die Linse (4)weist eine einer Reflektorinnenwand (31) zugewandte Linsenaußenseite (41) auf. Das Verbindungsmittel (5) befindet sich bevorzugt zwischen der Reflektorinnenwand (31) und der Linsenaußenseite (41). Die Linse (4) berührt den optoelektronischen Halbleiterchip (2) nicht.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUTEIL UND BIOMETRISCHER SENSOR Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Ferner wird ein biometrischer Sensor, insbesondere ein
Irisscanner, angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das kompakt und stabil ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil und durch einen biometrischen Sensor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauteil einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips. Der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip ist bevorzugt zur Erzeugung von Strahlung eingerichtet, beispielsweise zur Erzeugung von nahultravioletter Strahlung, von sichtbarem Licht und/oder von nahinfraroter Strahlung. Alternativ kann es sich bei dem Halbleiterchip auch um einen Detektorchip zur Detektion von Strahlung handeln, beispielsweise um einen einkanaligen
Detektorchip oder um einen vielkanaligen, pixellierten
Detektorchip. Ferner ist es möglich, dass Strahlung
emittierende und Strahlung detektierende Halbleiterchips in dem Halbleiterbauteil miteinander kombiniert vorliegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauteil einen Reflektor. Der Reflektor ist zur Reflexion von Strahlung, die von dem
Halbleiterchip ausgesandt wird, und/oder von Strahlung, die von dem Halbleiterchip zu detektieren ist, eingerichtet.
Beispielsweise umfasst der Reflektor eine reflektierende Beschichtung, insbesondere aus einem oder aus mehreren
Metallen oder aus einer Abfolge von Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex, auch als Bragg-Spiegel bezeichnet. Die reflektierende Beschichtung kann auf einem Basiskörper des Reflektors aufgebracht sein. Der Basiskörper ist insbesondere aus einem spritzgegossenen Kunststoff. Der Basiskörper kann, neben Spritzgießen, auch über andere
Verfahren wie Gießen, englisch Casting, oder Abformen, englisch Replication Molding, hergestellt sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reflektor eine oder mehrere Reflektorausnehmungen auf. Der mindestens eine Halbleiterchip ist in der mindestens einen
Reflektorausnehmung platziert. Liegen mehrere Halbleiterchips und mehrere Reflektorausnehmungen vor, so kann eine
eineindeutige Zuordnung zwischen den Reflektorausnehmungen und den Halbleiterchips bestehen. Alternativ können mehrere, gleich oder auch verschieden voneinander gestaltete
Halbleiterchips in eine einzige Reflektorausnehmung
eingebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das
Halbleiterbauteil eine oder mehrere Linsen. Die mindestens eine Linse befindet sich teilweise oder, bevorzugt,
vollständig in der Reflektorausnehmung . Das heißt, die Linse überragt die Reflektorausnehmung bevorzugt nicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse eine oder mehrere Linsenausnehmungen auf. In oder an der mindestens einen Linsenausnehmung ist der Halbleiterchip angebracht. Liegen mehrere Linsenausnehmungen vor, so liegt wie bei den Reflektorausnehmungen bevorzugt eine
eineindeutige Zuordnung zwischen den Linsenausnehmungen und den Halbleiterchips vor. Alternativ sind mehrere
Halbleiterchips einer einzigen Linsenausnehmung zugeordnet, insbesondere gleichartige Halbleiterchips.
Dass sich der Halbleiterchip oder zumindest einer der
Halbleiterchips in der Linsenausnehmung befindet, bedeutet zum Beispiel, dass die Linsenausnehmung in Draufsicht gesehen den zugeordneten Halbleiterchip vollständig überdeckt
und/oder dass der zugeordnete Halbleiterchip im Querschnitt gesehen von fiktiven Verbindungslinien zwischen zwei
Begrenzungsflächen der Linse geschnitten wird. Dass sich der Halbleiterchip an der Linsenausnehmung befindet, bedeutet zum Beispiel, dass die Linsenausnehmung in Draufsicht gesehen den zugeordneten Halbleiterchip vollständig oder teilweise überdeckt und/oder dass ein maximaler Abstand zwischen dem Halbleiterchip und der Linseninnenwand höchstens 0,3 mm oder 0,2 mm oder 0,1 mm beträgt und/oder dass ein maximaler
Abstand zwischen dem Halbleiterchip und der Linse entlang der optischen Achse bei höchstens 0,3 mm oder 0,2 mm oder 0,1 mm liegt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil ein Verbindungsmittel wie einen Kleber, beispielsweise auf Silikonbasis oder auf Basis eines
Epoxidharzes, oder wie eine Abdeckplatte, die die Linse und den Reflektor gemeinsam überdeckt. Die Linse ist mittels des Verbindungsmittels an dem Reflektor befestigt, bevorzugt irreversibel befestigt. Das heißt, im bestimmungsgemäßen Gebrauch löst sich aufgrund des Verbindungsmittels die Linse nicht von dem Reflektor. Insbesondere ist die Linse nicht zerstörungsfrei und/oder nicht werkzeugfrei aus dem Reflektor entfernbar . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse eine Linsenaußenseite auf. Ferner weist der Reflektor eine
Reflektorinnenwand auf, wobei die Reflektorinnenwand eine Begrenzungsfläche der Reflektorausnehmung darstellt. Dabei ist die Linsenaußenseite der Reflektorinnenwand zugewandt. Bevorzugt berühren sich dabei die Reflektorinnenwand und die Linsenaußenseite nicht. Das heißt, zwischen der
Reflektorinnenwand und der Linsenaußenseite liegt bevorzugt ein Abstand vor, insbesondere durchgehend. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich das
Verbindungsmittel teilweise oder vollständig zwischen der Reflektorinnenwand und der Linsenaußenseite. Das heißt, über das Verbindungsmittel ist der Abstand zwischen der
Reflektorinnenwand und der Linsenaußenseite gewahrt und/oder einstellbar. Alternativ kann sich das Verbindungsmittel teilweise oder vollständig außerhalb der Reflektorausnehmung befinden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform berührt der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip die Linse nicht. Das heißt, die Linse steht nicht in unmittelbarem physischen Kontakt zu dem Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist somit von der Linse beabstandet angeordnet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Spalt zwischen dem Reflektor und der Linse nur teilweise mit dem
Verbindungsmittel gefüllt. Zum Beispiel füllt das
Verbindungsmittel den Spalt im Querschnitt gesehen und längs einer Längsausdehnung des Spalts nur zu höchstens 50 % oder 30 % oder 20 %, bevorzugt zu höchstens 15 % oder 10 % oder 5 %, auf. In Bereichen des Spalts, die nicht mit dem
Verbindungsmittel aufgefüllt sind, wirkt der Spalt bevorzugt totalreflektierend. Daher ist der Spalt gerade zu so einem
Anteil gefüllt, dass eine hinreichende mechanische Stabilität erreicht ist, jedoch ein möglichst hoher Anteil von Strahlung totalreflektiert wird. In mindestens einer Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauteil mindestens einen
optoelektronischen Halbleiterchip sowie einen Reflektor mit einer Reflektorausnehmung, in der der mindestens eine
Halbleiterchip angebracht ist. Eine Linse befindet sich mindestens zum Teil in der Reflektorausnehmung . Die Linse weist eine Linsenausnehmung auf, in oder an der der
mindestens eine Halbleiterchip angebracht ist. Die Linse ist mit einem Verbindungsmittel an dem Reflektor befestigt. Die Linse weist eine einer Reflektorinnenwand der
Reflektorausnehmung zugewandte Linsenaußenseite auf. Das
Verbindungsmittel befindet sich bevorzugt mindestens zum Teil zwischen der Reflektorinnenwand und der Linsenaußenseite. Die Linse berührt den mindestens einen optoelektronischen
Halbleiterchip nicht.
Das angegebene Halbleiterbauteil lässt sich kompakt fertigen und ist mechanisch stabil. Insbesondere verfügt das
Halbleiterbauteil damit über einen nur kleinen Bauraum und emittiert bevorzugt nur in einen engen Abstrahlwinkelbereich.
Bei üblichen Halbleiterbauteilen ist ein Halbleiterchip auf einem Träger montiert. Auf diesem Träger wird ein
metallbeschichteter Reflektor montiert, auf den anschließend eine Linse geklebt wird. Die Linse wird im Regelfall nur an den vier Ecken des Reflektors verklebt und ist über diesen Reflektor erhaben. Damit ist die aufgeklebte Linse sehr anfällig gegenüber äußeren Krafteinwirkungen, beispielsweise gegenüber Berührung mit Werkzeugen, was bei einer Endmontage zu Ausfällen des Halbleiterbauteils führen kann.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterbauteil wird anstelle einer erhabenen, außen aufgeklebten Linse eine insbesondere zur internen Totalreflexion gestaltete Linse in den Reflektor eingeklebt. Die Linse ist bevorzugt so ausgeführt, dass sie und der Reflektor formschlüssig ineinander passen und einen Großteil, im Idealfall 100 %, der Linse in den Reflektor versenkt ist. Der Reflektor und die Linse zusammen bilden ein optisches Element.
Durch das Versenken der Linse im Reflektor ist die Linse praktisch unerreichbar für äußere, seitliche
Krafteinwirkungen. Durch den Formschluss zwischen dem
Reflektor und der Linse wird ein quasi-monolithisches optisches Element gebildet. Ein Spalt zwischen dem Reflektor und der Linse wird insbesondere nur teilweise mit Klebstoff, also dem Verbindungsmittel, gefüllt. Dadurch lässt sich eine für die Verklebung und Anhaftung der Linse an den Reflektor zur Verfügung stehende Oberfläche signifikant vergrößern, wodurch die Linse zuverlässiger im Reflektor verankert werden kann. Das optische Element, zusammengesetzt aus dem Reflektor und der Linse, kann bereits vor einer Montage auf einem
Träger hergestellt werden. Dadurch können ein Montageschritt und somit Kosten eingespart werden. Somit ist mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteil ein Aufbau gegeben, der gegen das Ablösen der Linse robust ist und der platzsparend ist. In einem weiteren Aspekt wird ein optoelektronisches
Halbleiterbauteil und dessen Herstellung angegeben, wobei das Halbleiterbauteil einen Emitter für Beleuchtungsaufgaben, zum Beispiel für einen Iris-Scan, und zumindest einen weiteren Emitter, optional zusätzlich auch einen Detektor,
insbesondere für eine Abstandsmessung, beinhaltet.
Herkömmlich wird bei auf dem TIR-Prinzip beruhenden Linsen, optional auch in Kombination mit einem Reflektor, für einen oder mehrere der Emitter für je einen Emitter eine
individuelle Optik vorgesehen. TIR steht für interne
Totalreflexion, englisch Total Internal Reflection. Vorliegend erfolgt die Verwendung einer TIR-Linse in dem
Halbleiterbauteil, wobei innerhalb ein und derselben Linse verschiedene optische Charakteristika verwirklicht sind. Dies wird etwa ermöglicht durch die Kombination einer LED- Lichtquelle und eines Lasers wie eines VCSELs als
verschiedenartige Halbleiterchips. VCSEL steht für Vertical Cavity Surface Emitting Laser.
Damit lassen sich innerhalb eines einzigen
Halbleiterbauteiles die Funktionen „Beleuchtung", zum
Beispiel für einen Iris-Scan mit verkippter
Abstrahlcharakteristik, und „Sensorik", zum Beispiel für eine Annäherung eines Körpers, für Umgebungslicht oder für eine Lichtfarbe, kombinieren. Zudem lassen sich Halbleiterbauteile mit einer planen Oberfläche herstellen. Eine Platzeinsparung durch die Kombination von zwei Emittern, die sich eine gemeinsame Optik teilen, ist erreichbar. Das
Halbleiterbauteil ist damit kompakt aufbaubar. Ferner ergeben sich Kostenvorteile bei der Herstellung des Halbleiterbauteils, insbesondere wegen der Kombination von zumindest zwei Emittern, die sich die Linse teilen, im
Vergleich zur Verwendung von Einzelkomponenten. Bei der
Integration des Annäherungssensors, auch als Proximity Sensor bezeichnet, lassen sich weitere Kostenvorteile erzielen. Es lassen sich zwei oder mehr Abstrahlcharakteristiken innerhalb eines Bauteils mit einer Linse realisieren. Es ist auf
Systemebene eine Stromreduktion möglich.
Die Emitter, also die Halbleiterchips, können gleiche oder unterschiedliche Wellenlängen emittieren. Damit sind Vorteile beim Industrial Design zum Beispiel von Smartphones oder Tablets erreichbar. Ein vom Kunden als störend empfundenes Loch in einer Abdeckung kann damit entfallen. Möglich sind außerdem Halbleiterbauteile mit Annäherungsfunktion mit unterschiedlichen Reichweiten. So kann eine Kombination einer IRED für den Iris-Scan mit einer kurzreichweitigen
(insbesondere kleiner 10 cm) Proximity-Funktion erfolgen. Diese Kombination verlagert den VCSEL aus dem ansonsten separaten Proximity-Sensor in die IRED, also das
Halbleiterbauteil. Damit lässt sich eine Reduktion des benötigten Bauraums erzielen und auf zum Beispiel Smartphones Platz für weitere Funktionen oder Sensoren schaffen.
Außerdem kann eine Kombination einer IRED für
Gesichtserkennung, englisch Face Recognition, mit einer langreichweitigen (insbesondere 0,5 m bis 1 m) Proximity- Funktion zur Detektion von Objekten im Erfassungsbereich der korrespondierenden Kamera erfolgen. Kamera und IRED werden nur eingeschaltet, wenn sich ein Objekt oder eine Person im Erfassungsbereich befindet. Wegen des im Vergleich zu
IRED+Kamera wesentlich kleineren Stromverbrauchs eines Proximity-Sensors lässt sich mit diesem Ansatz Strom sparen und damit die bei mobilen Geräten wichtige
Batterielebensdauer erweitern. Da der zweite Halbleiterchip, insbesondere der VCSEL, einen relativ großen Abstand zum Detektor hat, ist ein optisches Übersprechen etwa durch ein Abdeckglas sehr gering.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Spalt, insbesondere im Querschnitt gesehen, entlang seiner
Längsausdehnung eine gleichbleibende Breite auf. Dies gilt insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 30 % oder 15 % einer mittleren Breite des Spalts. Das heißt, aufgrund des Spalts ist ein Abstand zwischen dem Reflektor und der Linse längs der Linsenaußenseite konstant oder nahezu konstant. Dies gilt bevorzugt an der gesamten Linsenaußenseite oder an zumindest 80 % oder 90 % der Linsenaußenseite. Die Breite des Spalts ist alternativ oder zusätzlich auch hin zum Träger gleichbleibend, wobei hin zum Träger eine andere Breite vorliegen kann als zwischen dem Reflektor und der Linse.
Ebenso kann der Spalt hin zum Träger auch entfallen, sodass der Reflektor auf dem Träger aufsitzen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Linse und das Verbindungsmittel einen ähnlichen oder den gleichen
Brechungsindex auf. Dadurch kann erreicht werden, dass
Strahlung verlustfrei von der Linse in den Kleber
eingekoppelt wird und auf der bevorzugt metallischen
Reflektorinnenwand des Reflektors gespiegelt wird. Ähnliche Brechungsindizes bedeutet bevorzugt, dass der Brechungsindex der Linse und der Brechungsindex des Verbindungsmittels um höchstens 0,2 oder 0,1 oder 0,05 oder 0,02 voneinander abweichen. Dies gilt insbesondere für eine Wellenlänge maximaler Intensität einer im Betrieb des Halbleiterchips erzeugten Strahlung sowie bevorzugt bei Raumtemperatur, also 300 K. Ähnliche oder gleiche Brechungsindizes sind
beispielsweise dadurch erreichbar, dass die Linse und das Verbindungsmittel auf dem gleichen Material oder auf dem gleichen Materialsystem basieren, beispielsweise jeweils auf einem Silikon oder einem Epoxidharz oder einem Acryl .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt das
Verbindungsmittel die Linsenaußenseite zu höchstens 50 % oder 30 % oder 20 % oder 10 %. Das heißt, ein Großteil der
Linsenaußenseite ist dann frei von dem Verbindungsmittel. Diese von dem Verbindungsmittel freien Gebiete der
Linsenaußenseite sind teilweise oder vollständig zu einer Totalreflexion der von dem Halbleiterchip im Betrieb
erzeugten Strahlung eingerichtet. Dies bedeutet, in diesen von dem Verbindungsmittel freien Gebieten weist der Reflektor bevorzugt keine optische Funktion auf und in diesen Gebieten gelangt die erzeugte Strahlung bevorzugt nicht zum Reflektor oder nur zu einem kleinen Teil zu dem Reflektor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor in von dem Verbindungsmittel bedeckten Gebieten der
Linsenaußenseite zu einer Reflexion, bevorzugt zu einer spekularen Reflexion, der von dem Halbleiterchip im Betrieb erzeugten Strahlung eingerichtet. Das heißt, die erzeugte Strahlung gelangt bevorzugt durch die Linse und durch das Verbindungsmittel hindurch zur Reflektorinnenwand und wird dort zurück in das Verbindungsmittel sowie durch die Linse hindurch reflektiert und wird anschließend bevorzugt an einer dem Halbleiterchip abgewandten Linsenoberseite aus dem
Halbleiterbauteil emittiert. Damit ist das Verbindungsmittel bevorzugt transparent für die im Betrieb erzeugte Strahlung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Linsenausnehmung, in der sich der Halbleiterchip befindet, frei von dem Verbindungsmittel. Dies bedeutet bevorzugt auch, dass der Halbleiterchip von dem Verbindungsmittel beabstandet ist und das Verbindungsmittel nicht berührt. Insbesondere reicht das Verbindungsmittel auch nicht bis zur
Linsenausnehmung heran. Ebenso kann das Verbindungsmittel von einem Träger, auf dem der Halbleiterchip angebracht ist, beabstandet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine optische Achse der Linse schräg zu einer Montageebene des Halbleiterchips angeordnet. Beispielsweise liegt ein Winkel zwischen der Montageebene und der optischen Achse bei höchstens 88° oder 86° oder 84°. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Winkel bei mindestens 45° oder 60° oder 75°. Mit anderen Worten ist eine Hauptabstrahlrichtung der Linse und damit bevorzugt des Halbleiterbauteils gegenüber einer Montageebene leicht verkippt angeordnet. Die Montageebene kann senkrecht zu einer Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge des
Halbleiterchips orientiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Linsenausnehmung rotationssymmetrisch um die optische Achse der Linse herum geformt. Gleiches kann für die
Linsenaußenseite gelten, wobei die Linse an einer den
Halbleiterchips abgewandten Seite schräg zur optischen Achse abgeschnitten sei kann. Insofern kann die Rotationssymmetrie um die optische Achse der Linse herum an der Linsenoberseite durch das schräge Abschneiden der Linse, bezogen auf die optische Achse, durchbrochen sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Bodenseite der Linse senkrecht zur optischen Achse der Linse ausgerichtet. Damit ist es möglich, dass die Bodenseite schräg zur
Montageebene ausgerichtet ist. Die Bodenseite kann eine optische Funktion erfüllen, kann jedoch auch optisch nicht funktionalisiert sein. Dies bedeutet, die optische Wirkung der Linse kann ausschließlich durch die Linsenausnehmung, die Linsenoberseite und die Linsenaußenseite hervorgerufen sein, ohne einen signifikanten Einfluss der Bodenseite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen der
Montageseite und der Bodenseite der Linse im Querschnitt gesehen der Spalt keilförmig und/oder dreieckig gebildet. Das heißt, die Bodenseite berührt die Montageseite dann nicht oder nur stellenweise.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Spalt um einen gasgefüllten Spalt, insbesondere um einen Luftspalt oder um einen mit einem Schutzgas wie Stickstoff oder Argon oder auch mit getrockneter Luft gefüllten Spalt. Alternativ kann der Spalt evakuiert sein, wobei kein
hochqualitatives Vakuum vorzuliegen braucht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Bodenseite gänzlich von dem Träger, auf den die Halbleiterchips
angebracht sind, beabstandet. Das heißt, bevorzugt berührt die Linse den Träger der Halbleiterchips sowie die
Montageebene nicht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließen die der
Montageseite abgewandte Linsenoberseite der Linse und eine Reflektoroberseite des Reflektors bündig miteinander ab. Die Reflektoroberseite und die Linsenoberseite können jeweils planar, also eben, geformt sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Reflektoroberseite und/oder die Linsenoberseite parallel zur Montageebene verlaufen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Linsenausnehmung eine bevorzugt kegelstumpfförmige
Linseninnenwand auf. Ein Winkel zwischen der Linseninnenwand und der optischen Achse der Linse liegt im Querschnitt gesehen beispielsweise bei mindestens 2° oder 5° und/oder bei höchstens 20° oder 12°. Ein mittlerer Winkel zwischen der
Linseninnenwand und der Linsenaußenwand liegt beispielsweise bei mindestens 25° oder 35° und/oder bei höchstens 70° oder 55°. Dies gilt insbesondere für Bereiche der
Linsenaußenseite, die sich höchstens so weit von der
Montageebene weg erstrecken wie die Linseninnenwand. Das heißt, bei der Bestimmung dieses mittleren Winkels können weiter von der Montageebene entfernt liegende Bereiche der Linsenaußenseite vernachlässigt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Linsenausnehmung eine Deckelfläche auf. Die Deckelfläche ist dem Halbleiterchip zugewandt. Insbesondere verläuft eine optische Achse des Halbleiterchips und/oder eine Richtung maximaler Abstrahlintensität des Halbleiterchips durch die Deckelfläche hindurch, insbesondere mittig durch die
Deckelfläche hindurch. Zu einer Reduzierung eines
Abstrahlwinkels ist die Deckelfläche bevorzugt konvex
gekrümmt, also ähnlich einer Sammellinse geformt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen der Deckelfläche und dem Halbleiterchip mindestens ein 0,1-faches oder ein 0,3-faches oder ein 0,5-faches oder ein 0,7-faches einer Diagonalenlänge des Halbleiterchips. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Abstand bei höchstens dem dreifachen oder dem doppelten oder dem 1,5-fachen der Diagonalenlänge des Halbleiterchips. Dieser Abstand wird insbesondere entlang der optischen Achse der Linse und/oder des Halbleiterchips bestimmt. Die Diagonalenlänge ist
insbesondere die Länge einer Diagonalen einer
Strahlungshauptseite des Halbleiterchips parallel zur
Montageseite . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Linse in
Draufsicht gesehen asymmetrisch geformt. Dabei weist die Linse entlang einer Längsachse eine größte Ausdehnung und entlang einer Querachse eine kleinste Ausdehnung auf. Die Längsachse kann senkrecht zur Querachse orientiert sein. Ein Quotient aus der größten Ausdehnung und der kleinsten
Ausdehnung liegt bevorzugt bei mindestens 1,05 oder 1,1 und/oder bei höchstens 5 oder 3 oder 1,5 oder 1,3. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Ausdehnungen entlang der Längsachse und entlang der Querachse nicht zu stark voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse von einer dem Halbleiterchip abgewandten Seite her, insbesondere von der Linsenoberseite her, planare Linsenseitenflächen auf. Die Linsenseitenflächen sind bevorzugt parallel zur optischen Achse der Linse orientiert. Bevorzugt sind die
Linsenseitenflächen auch parallel zur Längsachse
ausgerichtet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Linsenseitenflächen in Seitenansicht gesehen rund und
verbreitern sich in Richtung weg von dem Halbleiterchip.
Insbesondere sind Kanten der Linsenseitenflächen parabelförmig oder hyperbelförmig geformt. Eine dem Halbleiterchip abgewandte Kante der Linsenseitenflächen verläuft bevorzugt gerade, insbesondere parallel zur
Montageebene .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mehrere der
Halbleiterchips in der Reflektorausnehmung angebracht. Dabei ist bevorzugt genau eine Linse vorhanden. Die Linse weist mehrere der Linsenausnehmungen auf und die Linsenausnehmungen sind den Halbleiterchips bevorzugt eineindeutig zugeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse an einer dem Halbleiterchip abgewandten Seite ein Linsenplateau auf. In Draufsicht gesehen weist das Linsenplateau eine polygonale Gestalt auf, beispielsweise eine rechteckige, quadratische oder sechseckige Gestalt. Das Linsenplateau ist zur Verankerung der Linse mit dem Reflektor eingerichtet. Insbesondere ist das Linsenplateau aus Bereichen der Linse an der Linsenoberseite gebildet, die sich gegenüber der
Linsenaußenseite in Richtung weg von der optischen Achse der Linse erstrecken. Das Linsenplateau ist bevorzugt parallel zur Montageebene ausgerichtet. Beispielsweise ist das
Linsenplateau als planparallele Platte oder Ausstülpung aus der Linsenaußenseite heraus an der Linsenoberseite gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip zur Emission einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 750 nm oder 800 nm eingerichtet. Alternativ oder zusätzlich liegt die Wellenlänge maximaler Intensität bei höchstens 1,1 ym oder 980 nm oder 850 nm. Das heißt, der Halbleiterchip kann nahinfrarote Strahlung
aussenden. Alternativ liegt die Wellenlänge maximaler
Intensität bei mindestens 360 nm und/oder höchstens 480 nm, also im blauen oder nahultravioletten Spektralbereich. Ferner ist es möglich, dass der oder zumindest einer der
Halbleiterchips zur Erzeugung von grünem Licht eingerichtet ist, beispielsweise für eine Pulsmessung eines Trägers des Halbleiterbauteils.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip oder bei einem der Halbleiterchips um einen Leuchtdiodenchip. Das heißt, vom Halbleiterchip wird
bevorzugt inkohärente Strahlung emittiert. Alternativ oder zusätzlich ist der Halbleiterchip oder ist einer der
Halbleiterchips als Laserdiodenchip, insbesondere als VCSEL- Chip, gestaltet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlaufen die
Reflektorinnenwände im Querschnitt gesehen gekrümmt. Dies gilt insbesondere für die Reflektorinnenwände, die der
Linsenaußenseite zugeordnet sind. An den Linsenseitenflächen kann die Reflektorinnenwand eben verlaufen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein
Abstrahlwinkelbereich des Halbleiterbauteils und/oder von einem der Halbleiterchips oder von mehreren oder von allen der Halbleiterchips einen Öffnungswinkel von mindestens 5° oder 10° oder 15° oder 25° auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Öffnungswinkel bei höchstens 100° oder 80° oder 50°. Mit anderen Worten erfolgt durch das Halbleiterbauteil eine vergleichsweise gerichtete Abstrahlung in einen kleinen Raumwinkelbereich hinein. Beispielsweise werden mindestens 80 % oder 90 % der vom Halbleiterbauteil emittierten
Strahlung in den genannten Abstrahlwinkelbereich hinein emittiert . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen oder mehrere erste Halbleiterchips zur Emission einer ersten Strahlung. Außerdem ist einer oder sind mehrere zweite Halbleiterchips zur Emission einer zweiten Strahlung vorhanden. Der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Halbleiterchip sind somit
verschieden voneinander und sind bevorzugt als Lichtquellen für unterschiedliche Funktionen wie Iris-Scan,
Gesichtserkennung oder Annäherungssensor eingerichtet. Die ersten und zweiten Halbleiterchips weisen insbesondere voneinander verschiedene optische Eigenschaften wie
Emissionsspektren, Impulsdauern, Intensitäten und/oder
Abstrahlwinkelbereiche auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Halbleiterchips in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Diese Ebene kann schräg zur optischen Achse der Linse ausgerichtet sein. Bevorzugt liegt diese Ebene parallel zu einer
Montagefläche oder Montageebene des Halbleiterbauteils.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste
Halbleiterchip zur Erzeugung von inkohärenter nahinfraroter Strahlung eingerichtet. Damit kann es sich bei dem ersten Halbleiterchip um einen IRED-Chip handeln. Zugleich ist der zweite Halbleiterchip zur Erzeugung von sichtbarem Licht wie blauem, grünem, gelbem oder rotem Licht und/oder zur
Erzeugung nahinfraroter Strahlung eingerichtet. Die von dem zweiten Halbleiterchip emittierte Strahlung ist bevorzugt kohärent, sodass der zweite Halbleiterchip ein Laser sein kann. Alternativ ist der zweite Halbleiterchip auch ein LED- Chip oder ein IRED-Chip. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste
Halbleiterchip in oder an der Linsenausnehmung angeordnet und der zweite Halbleiterchip befindet sich außerhalb der
Linsenausnehmung. Das heißt, in Draufsicht überlappt die Linsenausnehmung bevorzugt nicht mit dem mindestens einen zweiten Halbleiterchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist innerhalb der Linse keine optische Trennung zwischen dem ersten und zweiten
Halbleiterchip vorhanden. Mit anderen Worten ist es möglich, dass sich Strahlung vom ersten und vom zweiten Halbleiterchip innerhalb der Linse mischt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse neben der zentral angeordneten Linsenausnehmung ein Nebenplateau auf. Das Nebenplateau stellt eine Lichteintrittsfläche für den zweiten Halbleiterchip dar. Das Nebenplateau befindet sich außerhalb und in Draufsicht gesehen neben der
Linsenausnehmung. Es ist möglich, dass sich die
Linsenausnehmung und das Nebenplateau berühren oder dass diese beabstandet voneinander angeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließt das
Nebenplateau in Richtung weg von der Deckelfläche bündig mit der Linseninnenwand ab, sodass die Linseninnenwand an dem
Nebenplateau und an einer dem Nebenplateau gegenüberliegenden Seite gleich weit zum ersten Halbleiterchip reicht. Dies gilt insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 0,2 mm oder 0,1 mm und/oder mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % einer Gesamtdicke der Linse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Nebenplateau mit einer optisch wirksamen Struktur versehen. Bei der optisch wirksamen Struktur handelt es sich etwa um eine Linse wie eine Konvexlinse oder eine Konkavlinse oder eine
Freiformlinse. Alternativ ist die optisch wirksame Struktur ein diffraktives optisches Element, kurz DOE, oder auch eine Aufrauung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die optisch wirksame Struktur näher an dem ersten und/oder zweiten
Halbleiterchip als die Deckelfläche der Linsenausnehmung . Das heißt, das Nebenplateau kann entlang der optischen Achse der Linse der Deckelfläche vorausgehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Durchmesser des Nebenplateaus in Draufsicht gesehen höchstens 40 % oder 30 % oder 10 % eines Durchmessers der Linsenausnehmung. Dies gilt insbesondere an der Bodenseite der Linse.
Darüber hinaus wird ein biometrischer Sensor angegeben. Der biometrische Sensor umfasst eines oder mehrere der
optoelektronischen Halbleiterbauteile, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des biometrischen Sensors sind daher auch für das Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt. In mindestens einer Ausführungsform umfasst der biometrische Sensor ein optoelektronisches Halbleiterbauteil sowie einen Detektor. Der Detektor ist bevorzugt mehrkanalig gestaltet, beispielsweise als CCD. Der Detektor ist dazu eingerichtet, eine von dem Halbleiterbauteil ausgesandte und von einem menschlichen Auge und/oder Gesicht reflektierte Strahlung zu detektieren. Ferner kann der Sensor, der insbesondere ein Irisscanner oder eine Gesichtserkennungseinheit ist, eine Datenverarbeitungseinheit aufweisen, über die eine Identifikation des menschlichen Auges und/oder des Gesichts anhand der von dem Detektor gewonnenen Daten erfolgt. Der Detektor kann mit einer entsprechenden Optik versehen sein. Zum Beispiel wird das hier beschriebene optoelektronische
Halbleiterbauteil in einem Scanner zur Gesichtserkennung oder einem Irisscanner oder einem Pulsmessgerät eingesetzt, realisiert durch den biometrischen Sensor. Das optoelektronische Halbleiterbauteil und der Detektor können eine zusammenhängende, mechanisch gemeinsam
montierbare und/oder handhabbare Einheit bilden und sich nahe beieinander befinden. Alternativ können das optoelektronische Halbleiterbauteil und der Detektor beabstandet voneinander angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand zueinander von mindestens 2 cm oder 5 cm oder 15 cm und/oder von
höchstens 0,5 m oder 0,2 m, um ein optisches Übersprechen vom Halbleiterbauteil direkt auf den Detektor zu unterbinden oder zu reduzieren. In letztgenanntem Fall werden das
Halbleiterbauteil und der Detektor zum Beispiel als separate Subkomponenten des biometrischen Sensors verbaut, etwa an verschiedenen Stellen in einem Gehäuse, das den biometrischen Sensor umfasst, etwa an verschiedenen Stellen eines
Smartphones .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Sensor eines oder mehrere der Halbleiterbauteile mit einem ersten und mit einem zweiten Halbleiterchip. Der erste
Halbleiterchip kann als Lichtquelle zur Iriserkennung oder zur Gesichtserkennung gestaltet sein. Der zweite
Halbleiterchip ist insbesondere eine Lichtquelle für einen Näherungssensor. Es können mehrere Näherungssensoren insbesondre für verschiedene Entfernungsbereiche vorhanden sein .
Sind mehrere, speziell verschiedenartig funktionalisierte Halbleiterchips vorhanden, so können mehrere Detektoren vorhanden sein, zum Beispiel für jede Funktion ein Detektor. Zur Iriserkennung oder zur Gesichtserkennung ist bevorzugt ein mehrkanaliger Detektor wie ein CCD-Chip vorhanden. Für die Funktion als Näherungssensor kann ein einkanaliger
Detektor vorhanden sein, wobei im Falle mehrerer
Entfernungsbereiche für jeden Entfernungsbereich ein eigener Detektor vorhanden sein kann oder für alle
Entfernungsbereiche ein einziger, gemeinsamer Detektor vorhanden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine Detektor oder zumindest einer der Detektoren in einer
Detektorausnehmung des Reflektors angebracht. Im Falle mehrere Detektoren kann pro Detektor eine eigene
Detektorausnehmung vorhanden sein. Die zumindest eine
Detektorausnehmung liegt in Draufsicht gesehen bevorzugt neben der Reflektorausnehmung und kann von dieser optisch isoliert sein, sodass die von den Halbleiterchips emittierte Strahlung nicht auf direktem Weg zu dem Detektor gelangt.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil und ein hier beschriebener Irisscanner unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figuren 2, 3 und 5 schematische Seitenansichten von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figuren 4, 6 und 7 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figur 8 eine schematische perspektivische Darstellung einer
Linse für ein hier beschriebenes Halbleiterbauteil,
Figur 9 eine schematische Schnittdarstellung einer Linse für ein hier beschriebenes Halbleiterbauteil,
Figur 10 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines Irisscanners, Figuren 11 und 12 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figur 13 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils , Figur 14 eine schematische Draufsicht auf ein
Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils , Figur 15 eine schematische Darstellung von Strahlenverläufen in einem Ausführungsbeispiel eines hier
beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauteils , Figur 16 eine schematische Darstellung einer
Abstrahlcharakteristik eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauteils , Figur 17 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils, und
Figuren 18 und 19 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von biometrischen Sensoren mit hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen.
In den Figuren 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 illustriert. Das Halbleiterbauteil 1 umfasst einen Träger 6 mit einer
Montageebene 60. An dem Träger 6 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip 2 befestigt. Bei dem Halbleiterchip 2 handelt es sich bevorzugt um einen Leuchtdiodenchip zur Emission einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von 810 nm. An der Montageebene 60 ist ferner ein Reflektor 3 angebracht, der eine Reflektorausnehmung 30 aufweist. Der Halbleiterchip 2 ist in der Reflektorausnehmung 30 angebracht. Die
Reflektorausnehmung 30 ist durch Reflektorinnenwände 31 begrenzt. Die Reflektorinnenwand 31 ist bevorzugt mit einer metallischen Beschichtung zu einer spekularen Reflexion von Strahlung beschichtet.
In der Reflektorausnehmung 30 befindet sich eine Linse 4. Die Linse 4 umfasst eine Linsenausnehmung 40, in der der
Halbleiterchip 2 angeordnet ist. Dabei berührt der
Halbleiterchip 2 die Linse 4 nicht. Eine dem Halbleiterchip 2 abgewandte Linsenoberseite 45 schließt bündig mit einer
Reflektoroberseite 35 ab. Die Reflektoroberseite 35 sowie die Linsenoberseite 45 liegen in einer gemeinsamen Ebene. Entlang einer Querachse Q mit einer kleinsten Ausdehnung sind
optische Achsen 33, 44 des Reflektors 3 und der Linse 4 senkrecht zur Montageebene 60 sowie senkrecht zur
Reflektoroberseite 35 und zur Linsenoberseite 45
ausgerichtet, siehe Figur 2.
Die Linsenausnehmung 40 weist in Richtung weg von dem
Halbleiterchip 2 hin zur optischen Achse 44 verlaufende
Linseninnenwände 42 auf. Die optische Achse 44 durchstößt eine Deckelfläche 43 der Linsenausnehmung 40, die konvex gekrümmt ist und die sich oberhalb des Halbleiterchips 2 befindet .
Entlang einer Längsachse L, die senkrecht zur Querachse Q verläuft, sind die Linse 4 sowie der Reflektor 3 gegenüber der Montageebene 60 verkippt angeordnet. Ein Winkel zwischen der Montageebene 60 und den optischen Achsen 33, 44 liegt beispielsweise bei 84°, siehe insbesondere Figur 3. Die Linse 4 ist in den Reflektor 3 mittels eines Verbindungsmittels 5 befestigt. Das Verbindungsmittel 5 ist bevorzugt auf die Reflektorausnehmung 40 begrenzt. Das
Verbindungsmittel 5 erstreckt sich von der Linsenoberseite 45 ausgehend beispielsweise zu höchstens 20 % oder 30 % entlang der optischen Achsen 33, 44 in Richtung hin zu dem
Halbleiterchip 2. Durch das Verbindungsmittel 5, das beispielsweise ein
klarsichtiges Silikon ist, ist die beispielsweise
spritzgegossene Linse 4 von dem Reflektor 3 auf Abstand gehalten. Das heißt, die Reflektorinnenwände 31 berühren die Linsenaußenseiten 41 nicht. Ein Abstand zwischen der
Reflektorinnenwand 31 und der Linsenaußenseite 41 ist
bevorzugt gleichbleibend und nicht variiert. Dieser Abstand liegt beispielsweise bei mindestens 30 ym und/oder bei höchstens 0,3 mm. Das Verbindungsmittel 5 bedeckt nur einen Teil der
Linsenaußenseite 41 sowie der Reflektorinnenwand 31. In den von dem Verbindungsmittel 5 bedeckten Gebieten ist die
Reflektorinnenwand 31 zur Reflexion von im Betrieb erzeugter Strahlung eingerichtet. In den nicht von dem
Verbindungsmittel 5 bedeckten Gebieten dient die
Linsenaußenseite 41 zur Totalreflexion von Strahlung. Somit befindet sich größtenteils zwischen der Reflektorinnenwand 31 und der Linsenaußenseite 41 ein Spalt, insbesondere ein
Luftspalt 7, siehe die Figuren 2 und 3.
Die Linse 4 füllt die Reflektorausnehmung 30 somit nur zum Teil aus. Dabei sind die optischen Achsen 33, 44 des
Reflektors 3 sowie der Linse 4 gleichermaßen gegenüber der Montageebene 60 verkippt und verlaufen bevorzugt deckungsgleich .
Eine Bodenseite 46 der Linse 4, die die Linse 4 hin zur
Montageebene 60 begrenzt, berührt die Montageebene 60 bevorzugt nicht oder nur in einem kleinen Bereich. Da die Linse 4 gegenüber der Montageebene 60 verkippt ist, bildet sich an der Montageebene 60 hin zu der Bodenseite 46 ein im Querschnitt parallel zur Längsachse L gesehen keilförmiger Luftspalt 7 aus, siehe Figur 3.
Optional ist die Linse 4 parallel zur Längsachse L beidseitig abgeschnitten, sodass ebene Linsenseitenflächen 48 parallel zu den optischen Achsen 33, 44 sowie parallel zur Längsachse L gebildet werden, siehe die Figuren 1 und 3. In Richtung weg von dem Halbleiterchip 2 verbreitern sich die
Linsenseitenflächen 48. Eine dem Halbleiterchip 2 zugewandte Kante der Linsenseitenflächen 48 ist näherungsweise
parabelförmig gestaltet. Es ist möglich, dass die
Linsenseitenflächen 48 nicht zur Strahlformung beitragen, sondern lediglich als Klebefläche verwendet werden. Dabei ist das Verbindungsmittel 5 optional auf die Linsenseitenflächen 48 beschränkt. An den Linsenseitenflächen 48 kann die
Reflektorinnenwand 31 frei von einer reflektierenden
Beschichtung wie einer Metallbeschichtung sein, um ein
Anhaften des Verbindungsmittels 5 an dem Reflektor 3 zu verbessern. Durch die Linsenseitenflächen 48 kann das
Halbleiterbauteil 1 kompakter gestaltet werden. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist illustriert, dass das Verbindungsmittel 5 auch bis zur Montageebene 60 reichen kann. In diesem Fall ist die Linsenaußenseite 41 vollständig von dem Verbindungsmittel 5 bedeckt. Diese Konfiguration ist weniger bevorzugt als die Konfiguration der Figuren 1 bis 3, wonach das Verbindungsmittel 5 auf einen Bereich nahe der Linsenoberseite 45 beschränkt ist. Optional ist eine Abdeckplatte 81 vorhanden. Die Abdeckplatte 81 sitzt auf der Reflektoroberseite 35 auf. Über die
Abdeckplatte 81 ist eine Ablösung der Linse 4 aus dem
Reflektor 3 heraus effizient verhindert. Beispielsweise ist die Abdeckplatte 81 auf die Linse 4 sowie den Reflektor 3 aufgeklebt.
Es ist abweichend von Figur 4 zudem möglich, dass die
Abdeckplatte 81 sowie die Linse 4 einstückig und integral gestaltet sind.
Die Darstellung der Figur 5 entspricht im Wesentlichen der Darstellung der Figur 3. Ferner ist gezeigt, dass der
Halbleiterchip 2 über einen Bonddraht 23 elektrisch
kontaktiert sein kann. Dabei sind an den Träger 6 bevorzugt beidseitig elektrische Kontaktflächen 62 vorhanden, die über elektrische Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, ist das Verbindungsmittel 5 auf einen Bereich nahe der
Linsenoberseite 45 beschränkt, so dass sich das
Verbindungsmittel 5 ähnlich einem O-Ring um die Linse 4 herum an der Linsenoberseite 45 erstreckt. Damit ist die
Linsenaußenseite 41 nahezu vollständig zur Totalreflexion der von dem Halbleiterchip 2 ausgesandten Strahlung eingerichtet.
An der linken Seite der Figur 5 ist schematisch
veranschaulicht, dass optional an der Linsenaußenseite 41 und an der Reflektorinnenwand 31 ein Knick 37 vorhanden ist. Das Verbindungsmittel 5 kann auf einen Bereich beschränkt sein, der weiter von dem Halbleiterchip 2 entfernt liegt als der Knick 37. Der Knick 37 bildet bevorzugt eine ringsum laufende Stufe an der Linsenaußenseite 41 sowie an der
Reflektorinnenwand 31 aus. Es ist möglich, dass die
Linsenaußenseite 41 oberhalb des Knicks 37 in Richtung hin zur Linsenoberseite 45 keine oder nur eine nachgeordnete optische Funktion aufweist, wie es gleichermaßen für die Reflektorinnenwand 31 in diesem Bereich gelten kann.
Ist kein solcher Knick vorhanden, siehe Figur 5, rechte
Seite, so können die Linsenaußenseite 41 und die
Reflektorinnenwand 31 stetig bis zu den Oberseiten 35, 45 verlaufen .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist illustriert, dass die Linse 4 mehrere Linsenausnehmungen 40 aufweist, in denen jeweils einer der Halbleiterchips 2 angebracht ist. Dabei weist der Reflektor nur eine Reflektorausnehmung 30 auf, in der sich die einstückige Linse 4 befindet. Die
Halbleiterchips 2 können baugleich oder auch voneinander verschieden sein und beispielsweise zur Abstrahlung
unterschiedlicher Spektralbereiche gestaltet sein. Gemäß Figur 7 sind sowohl mehrere Halbleiterchips 2 als auch mehrere Linsenausnehmungen 40 und zudem mehrere
Reflektorausnehmungen 30 vorhanden. Der Reflektor 3 erstreckt sich auch auf einen Bereich zwischen benachbarten
Halbleiterchips 2. In diesem Bereich zwischen den
Halbleiterchips 2 ist optional zu einer verbesserten
Anhaftung der Linse 4 an den Reflektor 3 ebenso das
Verbindungsmittel 5 vorhanden. Die Linse 4 ist wiederum einstückig ausgebildet und erstreckt sich zusammenhängend über alle Reflektorausnehmungen 30 hinweg, sodass der Bereich des Reflektors 3 zwischen den Halbleiterchips 2 nicht bis zur Reflektoroberseite 35 reicht. Hinsichtlich der Gestaltung des Verbindungsmittels 5, der optischen Achsen 33, 44, der Linsenausnehmung 40 und der Linsenseitenflächen 48 gelten die Erläuterungen zu den
Figuren 1 bis 5 für die Figuren 6 und 7 entsprechend. In der perspektivischen Darstellung der Linse 4 in Figur 8 ist illustriert, dass an der Linsenoberseite 45 ein
Linsenplateau 49 geformt ist. Das Linsenplateau 49 erstreckt sich weg von den Linsenaußenseite 41 und ist in Draufsicht gesehen beispielsweise rechteckig gestaltet. Bevorzugt ist das Linsenplateau 8 wie eine planparallele Rechteckplatte geformt. Abweichend von der Darstellung der Figur 8 kann das Linsenplateau 8 auch über die Linsenseitenflächen 48
überstehen . Der in Figur 8 nicht gezeichnete Reflektor weist bevorzugt eine Negativform zu dem Linsenplateau 49 auf, so dass eine erhöhte Anhaftung zwischen dem Reflektor 3 und der Linse 4 erzielbar ist. Der Reflektor umläuft dabei das Linsenplateau 49 bevorzugt ringsum und kann bündig mit der Linsenoberseite 45 abschließen, nicht gezeichnet.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 8 verlaufen die Linsenaußenseite 41 sowie die Reflektorinnenwand 31 im Querschnitt gesehen jeweils gekrümmt. In Figur 9 ist dagegen illustriert, dass die Linsenaußenseite 41 im Querschnitt gesehen gerade verläuft, wie dies in gleicher Weise für die Reflektorinnenwand gelten kann. Ferner ist es möglich, dass die Linsenoberseite 45 gekrümmt verläuft, so dass die Linsenoberseite 45 zusammen mit der Deckelfläche 43 eine bikonvexe Linse darstellt. Eine entsprechende Gestaltung ist auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich. Verläuft die Linsenoberseite 45 gekrümmt, so ist es dennoch möglich, dass sich die Linse 4 vollständig in der
Reflektorausnehmung befindet, in Figur 9 nicht gezeichnet. Alternativ kann der Reflektor mit der Kante zwischen der Linsenaußenseite 41 und der Linsenoberseite 45 abschließen, sodass die Linsenoberseite 45 dann den Reflektor überragt, ebenso wenig gezeichnet.
In Figur 10 ist ein biometrischer Sensor, der bevorzugt ein Irisscanner 10 ist, illustriert. Der Irisscanner 10 umfasst eines der Halbleiterbauteile 1, etwa wie in Verbindung mit den Figuren 1 bis 9 illustriert. Ferner weist der Irisscanner 10 einen Detektor 8 auf, beispielsweise ein CCD-Element. Von dem Halbleiterbauteil 1 wird eine Strahlung R in Richtung hin zu einem menschlichen Auge 9 emittiert, dort reflektiert und von dem Detektor 8 empfangen. Damit ist eine Identifikation eines Benutzers anhand der reflektierten Strahlung R möglich. Das Halbleiterbauteil 1 und der Detektor 8 können sich direkt nebeneinander befinden oder sind beispielsweise ein paar cm voneinander beabstandet angeordnet.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 11 sind ein erster
Halbleiterchip 2a und ein zweiter Halbleiterchips 2b
vorhanden. Der erste Halbleiterchips 2a ist bevorzugt ein Leuchtdiodenchip zur Erzeugung von nahinfraroter Strahlung, kurz IRED-Chip. Bei dem zweiten Halbleiterchip 2b handelt es sich insbesondere um einen VCSEL, ebenfalls zur Erzeugung von nahinfraroter Strahlung. Im Falle eines VCSEL weist der zweite Halbleiterchip 2b bevorzugt ein Feld oder Array von einzelnen Emissionsflächen oder Resonatoren auf, die
gemeinsam oder auch unabhängig voneinander ansteuerbar sein können. Alternativ zu einem VCSEL kann der zweite
Halbleiterchip 2b ein kantenemittierender Laser, ein DFB- Laser oder ein Leuchtdiodenchip sein.
Zum Beispiel dient der erste Halbleiterchip 2a als
Lichtquelle für einen Iris-Scan oder zur Gesichtserkennung. Mit dem zweiten Halbleiterchip 2b kann ein Annäherungssensor realisiert werden. Wie auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen können mehrere zweite Halbleiterchips 2b etwa zur Erkennung verschiedener Distanzen eines Objekts zu dem Halbleiterbauteil 1 vorhanden sein. Die
Halbleiterchips 2a, 2b können gemeinsam auf dem Träger 6 montiert sein. Bei dem Träger 6 handelt es sich bevorzugt um eine Leiterplatte, kurz PCB. Optional kann sich an oder in dem Träger 6 eine nicht gezeichnete Ansteuerschaltung und/oder eine Auswertelektronik befinden. Der erste Halbleiterchip 2a befindet sich an der
Linsenausnehmung 40, wie auch in den Figuren 6 und 7, kann sich jedoch auch in der Linsenausnehmung 40 befinden. Ein Abstand von Seitenkanten 27 einer dem Träger 6 abgewandten Oberseite des Halbleiterchips 2 zu Unterkanten 28 der
Linseninnenwand 42, die die Linse 4 zum Träger 6 hin
begrenzen, ist bevorzugt möglichst klein, zum Beispiel höchstens 0,2 mm oder 0,1 mm und/oder höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % einer Dicke der Linse 4. Außerdem ist es möglich, dass sich die Seitenkanten 27 des Halbleiterchips 2 und die Unterkanten 28 der Linseninnenwand 42 fast berühren. Ferner können, wie etwa in Figur 2, die Seitenkanten 27 des Halbleiterchips 2 in der Linsenausnehmung 40 liegen. Der Luftspalt 7 zwischen der Linse 4 und dem Reflektor 3 ist bevorzugt vorhanden, kann aber auch entfallen. Entsprechendes gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele. Neben der Linsenausnehmung 40 befindet sich ein Nebenplateau 24 der Linse 4. Das Nebenplateau 24 kann plan geformt sein und/oder parallel zur Montageseite 60 des Trägers 6
orientiert sein. Zudem kann das Nebenplateau 24 direkt von den Unterkanten 28 der Linseninnenwand 42 ausgehen. Im
Vergleich zur Linsenausnehmung 40 ist das Nebenplateau 24 klein .
Das Nebenplateau 24 dient als Lichteintrittsfläche für den zweiten Halbleiterchip 2b. Da es sich bei einer zweiten
Strahlung R2 vom zweiten Halbleiterchip 2b bevorzugt um eine Laserstrahlung handelt, ist die zweite Strahlung R2 nach Möglichkeit bereits vor Eintritt in die Linse 4 kollimiert, sodass eine Sammelwirkung durch die Linse 4 nicht sehr ausgeprägt sein muss. Insbesondere durchläuft die zweite Strahlung R2 die Linse 4, ohne mit der Linsenaußenseite 41 in Berührung zu kommen, von vernachlässigbarem Streulicht abgesehen. Das heißt, die Linse 4 wirkt bestimmungsgemäß nur mit dem Nebenplateau 24 und der Linsenoberseite 45 auf die zweite Strahlung R2.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen gelangt die erste Strahlung Rl, die von dem ersten Halbleiterchip 2a erzeugt wird, teilweise zur Linsenaußenseite 41 und wird dort am Luftspalt 7 totalreflektiert. Ist kein Luftspalt 7
vorhanden, so erfolgt bevorzugt eine spekulare Reflexion an der Grenzfläche zwischen der Linsenaußenseite 41 und der Reflektorinnenwand 31, vergleiche auch Figur 19. Dies gilt insbesondere für den Anteil der ersten Strahlung Rl, die über die Linseninnenwand 42 in die Linse 4 gelangt. Der Teil der ersten Strahlung Rl, der über die Deckelfläche 43 in die Linse 4 gelangt, wird bevorzugt direkt zur Linsenoberseite 45 geführt und dort emittiert. Entsprechendes gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele.
Im Übrigen gelten die Ausführungen insbesondere zu den
Figuren 1 bis 8 entsprechend für Figur 11. Abweichend von Figur 11 ist in Figur 12 gezeigt, dass das Nebenplateau 24 nicht flach sondern linsenförmig gestaltet ist, insbesondere als konkave Linse. Abweichend von Figur 12 kann auch eine konvexe Linse oder eine Freiformlinse
vorhanden sein. Zudem ist in Figur 12 gezeigt, dass
abweichend von Figur 11 die Unterkante 28 der Linseninnenwand 42 asymmetrisch gestaltet ist, sodass die Unterkante 28 hin zu dem zweiten Halbleiterchip 2b weiter von der Montageseite 60 entfernt liegt als die Unterkante 28 in Figur 12 rechts. In Figur 13 ist die im Reflektor 3 untergebrachte Linse 4 der Figur 12 dreidimensional dargestellt. Die Linse 4 weist wie insbesondere in den Figuren 1 und 3 zur Platzersparnis die glatten Linsenseitenflächen 48 auf und weist für den ersten Halbleiterchip 2a eine verkippte optische Achse auf. Der Bereich um das Nebenplateau 24 macht nur einen kleinen Teil der Linse 4 aus, sodass gegenüber einer Linse ohne
Nebenplateau die Abstrahlcharakteristik für die erste
Strahlung Rl vom ersten Halbleiterchip 2a nicht signifikant beeinträchtigt ist.
Weiter ist in Figur 14 eine Draufsicht auf die Linse 4 der Figur 12 dargestellt. Zu erkennen ist insbesondere, dass in Figur 14 links aufgrund der Verkippung der optischen Achse eine Steigung der Linsenaußenseite 41 größer ist als an der in Figur 14 rechten Seite. Somit liegt der zweite
Halbleiterchip 2b bevorzugt an der Seite des ersten
Halbleiterchips 2a, an der die mittlere Steigung der
Linsenaußenseite 41 am größten ist. Das heißt, die optische Achse der Linse 4 für die Strahlung Rl des ersten
Halbleiterchips 2a kann von dem zweiten Halbleiterchip 2b weg weisen, in Figur 14 also nach rechts zeigen. Der erste Halbleiterchip 2a kann in Draufsicht gesehen rechteckig geformt sein und mit Längsseiten parallel zu den Linsenseitenflächen 48 orientiert sein. Kürzere Querseiten verlaufen parallel zum zweiten Halbleiterchip 2b, welcher in Draufsicht quadratisch geformt sein kann.
Ferner ist in Figur 15 schematisch anhand von beispielhaften Strahlverläufen eine Abstrahlung der Strahlung Rl, R2 durch die beiden Halbleiterchips 2a, 2b innerhalb der Linse 4 illustriert. Zu sehen ist, dass der erste Halbleiterchip 2a eine Lambert 'sehe oder im Wesentlichen eine Lambert 'sehe Abstrahlcharakteristik aufweist, also nahezu über eine
Raumwinkelbereich von 2π emittiert.
Damit gelangt ein Teil der ersten Strahlung Rl aufgrund von Reflexionen auch zu dem Träger 6, weit überwiegend jedoch über die Linseninnenwand 42 zu der Linsenaußenseite 42 und dann zur Linsenoberseite 45 oder über die Deckelfläche 43 direkt zur Linsenoberseite 45. Dagegen wird die zweite
Strahlung R2 bereits sehr gerichtet von dem zweiten
Halbleiterchips 2b emittiert und gelangt vom Nebenplateau 24 direkt zur Linsenoberseite 45. Dazu kann der zweite
Halbleiterchip 2b eine Kollimationsoptik umfassen. In Figur 16 ist die zugehörige Abstrahlcharakteristik gezeigt, also eine Intensität I in willkürlichen Einheiten über einen Abstrahlwinkel a . Aus Figur 16A ist zu erkennen, dass die Abstrahlung durch den ersten Halbleiterchip 2a in eine Richtung verkippt verläuft, beispielsweise mit einem Kippwinkel von 8°. Dagegen wird die zweite Strahlung R2 des zweiten Halbleiterchips 2b senkrecht zur Montageseite 60 emittiert und somit ohne Verkippung. Ein Abstrahlwinkelbereich für die zweite Strahlung R2 liegt bei ungefähr 48°, volle Breite bei halber Höhe, kurz FWHM. Dieser Wert liegt für die erste Strahlung Rl entlang der Kipprichtung bei ungefähr 62° und in Richtung senkrecht dazu bei ungefähr 38°. Das heißt, die erste Strahlung Rl kann einen elliptischen Bereich ausleuchten und die zweite
Strahlung R2 einen kreisförmigen Bereich. Entlang zumindest einer Richtung kann die erste Strahlung Rl stärker gebündelt sein als die zweite Strahlung R2 und entlang zumindest einer anderen Richtung dagegen schwächer gebündelt sein als die erste Strahlung Rl .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 17 ist das Nebenplateau 24 mit einem diffraktiven optischen Element, kurz DOE, als optisch wirksame Struktur 25 versehen, um eine Aufweitung der zweiten Strahlung R2 zu bewirken. Alternativ kann an dem Nebenplateau 24 eine Aufrauung vorhanden sein. Weniger bevorzugt, aber dennoch möglich, ist eine alternative oder zusätzliche Aufrauung an der Linsenoberseite 45. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den Figuren 11 bis 16 gleichermaßen für Figur 17. In Figur 18 ist ein weiteres Ausführungsbeispiels des
biometrischen Sensors 10 dargestellt. Die Halbleiterchips 2a, 2b, die Linse 4 und die Reflektorausnehmung 30 sind bevorzugt konfiguriert, wie in den Figuren 11 bis 17 erläutert,
insbesondere wie in Figur 11. Zusätzlich weist der Reflektor 3 eine Detektorausnehmung 38 auf, in der zwei Detektoren 8a, 8b vorhanden sind, alternativ nur ein Detektor. Die
Detektoren 8a, 8b sind zum Beispiel ein CCD-Chip und eine Fotodiode. Durch ein Material des Reflektors 3 erfolgt eine optische Abschirmung der Halbleiterchips 2a, 2b von den
Detektoren 8a, 8b. Dabei können die Detektoren 8a, 8b auf einem anderen Träger 6b angebracht sein als die
Halbleiterchips 2a, 2b, die sich an dem Träger 6a befinden. Zur Befestigung der Linse 4 in der Reflektorausnehmung 30 ist optional eine Abdeckplatte 81 vorhanden, wie dies auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich ist. Die
Abdeckplatte 81 kann den gesamten Reflektor 3 und damit auch die Detektorausnehmung 38 bedecken. Gemäß Figur 18 ist die Abdeckplatte 81 durchgehend gestaltet. Alternativ kann sich zwischen der Reflektorausnehmung 30 und der
Detektorausnehmung 38 auch eine optische Isolierung in der Abdeckplatte 81 befinden oder es sind zwei Abdeckplatten vorhanden .
Es ist möglich, dass die Abdeckplatte 81 nur für nahinfrarote Strahlung durchlässig ist und/oder nur für Strahlung, die von den Halbleiterchips 2a, 2b erzeugt wird. Ferner kann optional eine Beschichtung 82 vorhanden sein. Die Beschichtung 82 kann auf die Detektorausnehmung 38 beschränkt sein oder auch an der Reflektorausnehmung 30 vorhanden sein. Zum Beispiel handelt es sich bei der Beschichtung 82 um eine optische Filterschicht oder um eine Antireflexschicht . Ferner ist es abweichend von Figur 18 möglich, dass die
Abdeckplatte 81 keine planparallele Platte ist, sondern eine Strukturierung aufweist, beispielsweise eine Aufrauung oder im Bereich der Detektorausnehmung 38 und/oder der
Reflektorausnehmung 30 eine Linsenform wie eine Fresnel- Linse. Die Detektorausnehmung 38 ist bevorzugt evakuiert oder gasgefüllt, kann aber auch teilweise oder vollständig mit einem Verguss, nicht gezeichnet, verfüllt sein.
In Figur 19 ist illustriert, dass zwischen der Linse 4 und dem Reflektor 3 an der Linsenaußenseite 41 kein Luftspalt vorhanden ist. Zudem können mehrere erste Halbleiterchips 2a vorhanden sein, die beispielsweise in einem Feld dicht angeordnet sind. Als weitere Option befinden sich die
Halbleiterchips 2a, 2b in unterschiedlichen Ebenen an dem Träger 6, sodass die Montageebene 60 gestuft verläuft.
Außerdem kann das Nebenplateau 24 weiter von dem Träger 6 entfernt liegen als die Unterkante 28 der Linseninnenwand 42, sodass das Nebenplateau 24 gegenüber der Unterkante 28 zurückversetzt ist. Damit kann sich die Unterkante 28 in Draufsicht gesehen kreisförmig oder als Ellipse um die ersten Halbleiterchips 2a herum erstrecken. Dabei ist über die optionale Stufe in der Montageebene 60 ein Abstand zwischen dem zweiten Halbleiterchips 2b und dem Nebenplateau 24 einstellbar .
Weiter können der oder die Detektoren 8a, 8b außerhalb des Reflektors 3 an dem Träger 6 angebracht sein, zum Beispiel in der gleichen Ebene wie die ersten Halbleiterchips 2a.
Optional ist ein Verguss 83 vorhanden, der die Detektoren 8a, 8b überdeckt. Der Verguss 83 kann linsenförmig gestaltet sein und/oder ein optisches Filtermaterial enthalten.
Die in Figur 19 erläuterten Variationen können auch in allen übrigen Ausführungsbeispielen auftreten.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben .
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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 Patentanmeldungen 10 2017 130 779.6, 10 2017 118 396.5 und 10 2017 122 616.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch
Rückbezug aufgenommen wird. Bezugs zeichenliste
1 optoelektronisches Halbleiterbauteil
2 optoelektronischer Halbleiterchip
23 Bonddraht
24 Nebenplateau
25 optisch wirksame Struktur
27 Seitenkante einer Oberseite des Halbleiterchips
28 Unterkante der Linse
3 Reflektor
30 Reflektorausnehmung
31 Reflektorinnenwand
33 optische Achse des Reflektors
35 Reflektoroberseite
37 Knick
38 Detektorausnehmung
4 Linse
40 Linsenausnehmung
41 Linsenaußenseite
42 Linseninnenwand
43 Deckelfläche
44 optische Achse der Linse
45 Linsenoberseite
46 Bodenseite
48 Linsenseitenfläche
49 Linsenplateau
5 Verbindungsmittel
6 Träger
60 Montageebene
62 elektrische Kontaktfläche
7 Luftspalt
81 Abdeckplatte
82 Beschichtung 83 Verguss
8 Detektor
9 menschliches Auge
10 biometrischer Sensor/Irisscanner
I Intensität in willkürlichen Einheiten
L Längsachse
Q Querachse
R Strahlung
α Abstrahlwinkel in

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit
- mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (2), - einem Reflektor (3) mit einer Reflektorausnehmung (30), in der der mindestens eine Halbleiterchip (2) angebracht ist,
- einer Linse (4), die sich mindestens zum Teil in der
Reflektorausnehmung (30) befindet und die eine
Linsenausnehmung (40) aufweist, in oder an der der mindestens eine Halbleiterchip (2) oder zumindest einer der
Halbleiterchips (2) angebracht ist, und
- einem Verbindungsmittel (5), mit dem die Linse (4) an dem Reflektor (3) befestigt ist,
wobei
- die Linse (4) eine einer Reflektorinnenwand (31) der
Reflektorausnehmung (30) zugewandte Linsenaußenseite (41) aufweist,
- ein Spalt (7) zwischen dem Reflektor (3) und der Linse (4) nur teilweise mit dem Verbindungsmittel (5) gefüllt ist, und - der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip (2) die Linse (4) nicht berührt.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei sich das Verbindungsmittel (5) mindestens zum Teil zwischen der Reflektorinnenwand (31) und der Linsenaußenseite (41) befindet und/oder sich der Halbleiterchip (2) teilweise oder vollständig in der Linsenausnehmung (40) befindet.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
- das Verbindungsmittel (5) die Linsenaußenseite (41) zu höchstens 30 % bedeckt und von dem Verbindungsmittel (5) freie Gebiete der Linsenaußenseite (41) zu einer
Totalreflexion einer von dem Halbleiterchip (2) im Betrieb erzeugten Strahlung (R) eingerichtet sind,
- in von dem Verbindungsmittel (5) bedeckten Gebieten der Linsenaußenseite (41) die Reflektorinnenwand (31) zu einer spekularen Reflexion der von dem Halbleiterchip (2) im
Betrieb erzeugten Strahlung (R) eingerichtet sind,
- die Reflektorinnenwand (31) von der Linsenaußenseite (41) beabstandet ist, und
- ein Brechungsindexunterschied zwischen der Linse (4) und dem Verbindungsmittel (5) höchstens 0,05 beträgt, bezogen auf eine Temperatur von 300 K und auf eine Wellenlänge maximaler Intensität der von dem Halbleiterchip (2) im Betrieb
erzeugten Strahlung (R) .
4. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Linsenausnehmung (40) frei von dem
Verbindungsmittel (5) ist und der Halbleiterchip (2) das Verbindungsmittel (5) nicht berührt,
wobei eine optische Achse (44) der Linse (4) schräg zu einer Montageebene (60) des Halbleiterchips (2) angeordnet ist, und wobei die Linsenausnehmung (40) rotationssymmetrisch um die optische Achse (44) der Linse (4) herum geformt ist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem eine Bodenseite (46) der Linse (4) senkrecht zur optische Achse (44) der Linse (4) und somit schräg zur
Montageebene (60) ausgerichtet ist,
wobei zwischen der Montageebene (60) und der Bodenseite (46) der Spalt (7) im Querschnitt gesehen keilförmig ist.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine der Montageebene (60) abgewandte Linsenoberseite (45) der Linse (4) und eine Reflektoroberseite (35) des Reflektors (3) planar, bündig zueinander und parallel zur Montageebene (60) verlaufen.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Linsenausnehmung (40) eine kegelstumpfförmige Linseninnenwand (42) und eine konvex gekrümmte, über dem
Halbleiterchip (2) angeordnete Deckelfläche (43) aufweist, wobei ein Abstand zwischen der Deckelfläche (43) und dem Halbleiterchip (2) zwischen einschließlich dem 0,5-Fachen und dem Doppelten einer Diagonalenlänge des Halbleiterchips (2) liegt.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Linse (4) in Draufsicht gesehen asymmetrisch geformt ist und in Draufsicht entlang einer Längsachse (L) eine größte Ausdehnung und entlang einer Querachse (Q) eine kleinste Ausdehnung aufweist,
wobei die Längsachse (L) senkrecht zur Querachse (Q)
orientiert ist.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Linse (4) von einer dem Halbleiterchip (2) abgewandten Seite her planare Linsenseitenflächen (48) aufweist, die parallel zueinander und zur optischen Achse (44) der Linse (4) orientiert sind und die in Seitenansicht gesehen rund verlaufen und sich in Richtung weg vom
Halbleiterchip (2) verbreitern.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem mehrere der gleichartigen Halbleiterchips (2) in der Reflektorausnehmung (30) angebracht sind,
wobei genau eine Linse (4) vorhanden ist und die Linse (4) mehrere der Linsenausnehmungen (40) aufweist und die
Linsenausnehmungen (40) den Halbleiterchips (2) eineindeutig zugeordnet sind.
11. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Linse (4) an einer dem Halbleiterchip (2) abgewandten Seite ein Linsenplateau (49) aufweist,
wobei das Linsenplateau (49) in Draufsicht gesehen ein
Polygon ist und zur Verankerung der Linse (4) mit dem
Reflektor (3) eingerichtet ist.
12. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem sich das Verbindungsmittel (5) vollständig innerhalb der Reflektorausnehmung (30) befindet,
wobei alle Reflektorinnenwände (31) im Querschnitt gesehen gekrümmt verlaufen, und
wobei ein Abstrahlwinkelbereich des Halbleiterbauteils (1) einen Öffnungswinkel zwischen einschließlich 15° und 50° aufweist .
13. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Halbleiterchip (2, 2a) zur Emission einer
Strahlung (R) mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 750 nm und 980 nm eingerichtet ist, wobei es sich bei dem Halbleiterchip (2, 2a) um einen
Leuchtdiodenchip handelt.
14. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
das mindestens einen ersten Halbleiterchip (2a) und einen zweiten Halbleiterchip (2b) aufweist, die für
unterschiedliche Funktionen eingerichtet sind und voneinander verschiedene Emissionsspektren aufweisen,
wobei die Halbleiterchips (2a, 2b) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und
wobei die Linsenaußenseite (41) stellenweise zur
Totalreflexion und stellenweise zur spekularen oder diffusen Reflexion der von dem ersten Halbleiterchip (2a) im Betrieb erzeugten Strahlung (Rl) eingerichtet ist und die vom zweiten Halbleiterchip (2b) erzeugte Strahlung (R2) nicht zur
Linsenaußenseite (41) gelangt.
15. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem der erste Halbleiterchip (2a) zur Erzeugung von inkohärenter nahinfraroter Strahlung und der zweite
Halbleiterchip (2b) zur Erzeugung von roter oder
nahinfraroter kohärenter Strahlung eingerichtet ist,
wobei sich der erste Halbleiterchip (2a) in oder an der
Linsenausnehmung (40) befindet und der zweite Halbleiterchip (2b) außerhalb der Linsenausnehmung (40) angeordnet ist, und wobei innerhalb der Linse (4) keine optische Trennung
zwischen den Halbleiterchips (2a, 2b) vorhanden ist.
16. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 7,
bei dem die Linse (4) neben der zentral angeordneten
Linsenausnehmung (40) ein Nebenplateau (24) aufweist, das eine Lichteintrittsfläche für den zweiten Halbleiterchip (2b) darstellt, wobei das Nebenplateau (24) in Richtung weg von der
Deckelfläche (43) bündig mit der Linseninnenwand (42) abschließt, sodass die Linseninnenwand (42) an dem
Nebenplateau (24) und an einer dem Nebenplateau (24)
gegenüberliegenden Seite mit einer Toleranz von höchstens 0,2 mm gleich weit zum ersten Halbleiterchip (2a) reicht.
17. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem das Nebenplateau (24) mit einer optisch wirksamen Struktur (25) versehen ist,
wobei die optisch wirksame Struktur (25) eine Linse, eine Aufrauung und/oder ein diffraktives optisches Element ist, wobei die optisch wirksame Struktur (25) näher an den
Halbleiterchips (2a, 2b) liegt als die Deckelfläche (43) , und wobei ein Durchmesser des Nebenplateaus (24) höchstens 30 % eines Durchmessers der Linsenausnehmung (40) beträgt.
18. Biometrischer Sensor mit
- mindestens einem optoelektronischen Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, und
- einem Detektor (8),
wobei der Detektor (8) dazu eingerichtet ist, eine von dem Halbleiterbauteil (1) ausgesandte und an einem zu
detektierenden Körper reflektierte Strahlung (R) zu
detektieren .
19. Biometrischer Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, der als Irisscanner (10) gestaltet ist, sodass der zu
detektierende Körper zumindest ein menschliches Auge (9) und/oder ein menschliches Gesicht ist.
20. Biometrischer Sensor nach einem der beiden
vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mindestens ein Halbleiterbauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17,
wobei der mindestens eine zweite Halbleiterchip (2b) eine Lichtquelle für einen Näherungssensor ist, und
wobei sich der Detektor (8) oder zumindest einer der
Detektoren (8) in einer Detektorausnehmung (38) des
Reflektors (3) befindet und die Detektorausnehmung (38) in Draufsicht gesehen neben der Reflektorausnehmung (30) liegt.
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