WO2019234185A1 - Optoelektronisches halbleiterbauteil - Google Patents

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WO2019234185A1
WO2019234185A1 PCT/EP2019/064859 EP2019064859W WO2019234185A1 WO 2019234185 A1 WO2019234185 A1 WO 2019234185A1 EP 2019064859 W EP2019064859 W EP 2019064859W WO 2019234185 A1 WO2019234185 A1 WO 2019234185A1
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semiconductor chip
optical attachment
low
semiconductor component
reflector
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PCT/EP2019/064859
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Michael FÖRSTER
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/505—Wavelength conversion elements characterised by the shape, e.g. plate or foil

Definitions

  • An optoelectronic semiconductor component is specified.
  • An object to be solved is to specify an optoelectronic semiconductor component which has a high luminance.
  • this includes
  • Semiconductor device one or more semiconductor chips.
  • the at least one semiconductor chip is for generating a
  • Radiation in particular a primary radiation, set up.
  • the radiation is preferably visible light, especially blue light.
  • the radiation is preferably visible light, especially blue light.
  • Radiation may also be ultraviolet radiation, for example with a maximum intensity of at least 360 nm or 385 nm and / or at most 420 nm or 405 nm.
  • the semiconductor chip is preferably a light-emitting diode chip, or LED chip for short.
  • the at least one semiconductor chip it is possible for the at least one semiconductor chip to be set up for generating infrared radiation, in particular for near-infrared radiation, for example with an intensity maximum at at least 680 nm and / or at most 1060 nm.
  • the main side is preferably a radiation exit surface, in particular the only one
  • Radiation exit surfaces lie in a common plane.
  • the semiconductor chip comprises a semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence has an active zone, which may preferably have a pn junction and / or a quantum well structure.
  • the semiconductor layer sequence is based for example on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ nm Ga m N or a phosphide compound semiconductor material such as
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ nm Ga m As or as Al n Ga m In ] __ nm As P ] _-k, where each 0 dn ⁇ 1, 0 dm ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 and 0 dk ⁇ 1 is.
  • Semiconductor component one optics essay or more
  • the at least one for the radiation and / or for visible light permeable, preferably transparent, optical attachment is the at least one main side of the
  • the optical attachment can be constructed in one piece or in several pieces. In the case of a multi-piece optical attachment, the individual parts may be attached directly to one another or may be present separately from one another in the semiconductor component.
  • the optical attachment is integrally molded and monolithic.
  • the optical attachment is free of internal cavities.
  • the optical attachment is then formed, for example, of a single piece and / or of a single material.
  • the optical attachment is made of a high-index material, such as a plastic such as polycarbonate, silicone or epoxy or a
  • the optical attachment can be made of a glass or a mineral.
  • the optics cap is made of a material, for example sapphire, with a refractive index of at least 1.55 or 1.7 or 1.8 or 2.0, based on the wavelength of maximum intensity of the radiation of the semiconductor chip and at a temperature of 300 K. If the optical attachment is designed in several parts, the individual parts can be made of materials with different dimensions
  • Refractive indices less preferably, all parts may be made of the same material.
  • Refractive index Within the individual parts of the Refractive index to be constant. The preferred respectively
  • Semiconductor chip can also decrease, but can alternatively remain the same.
  • the optical attachment is not an imaging element. That is, the optics attachment has no focal point and no focal plane. In particular, the optical attachment is not designed as a converging lens.
  • this includes
  • Semiconductor device one or more low-refractive
  • the low-refraction layer for the radiation is preferably at most 1.5 or 1.4 or 1.3 or 1.1.
  • the low refractive index layer is of a plastic such as an acrylate, especially a fluorinated acrylate, a low refractive index glass or a mineral such as fluorides, especially magnesium fluoride.
  • the low-refractive-index layer is preferably a gas layer, for example of air or of an inert gas such as nitrogen or argon. Less preferred is the low refractive index layer of a low refractive liquid. If several low-index layers are present, they can be made of materials with different refractive indices or else each of the same material.
  • this includes
  • Semiconductor device one or more reflectors.
  • At least one reflector is on the side of the optical attachment and attached to the low refractive layer.
  • the reflector surrounds the optical attachment and the
  • low-refractive layer all around form-fitting. It is possible that side surfaces of the optical attachment and / or the low-refraction layer are partially or completely covered by the reflector.
  • the reflector can be located directly on the side surfaces.
  • the reflector is designed for reflection of the radiation generated in the semiconductor chip and / or of visible light. This means
  • the reflector in the spectral range of 380 nm to 700 nm a mean reflectivity or
  • the reflector may be configured to reflect a secondary radiation generated by an optional converter.
  • the optical attachment has a the at least one semiconductor chip facing
  • the base can be designed plan. In particular, the base area is aligned parallel to the main side of the at least one semiconductor chip.
  • the optical attachment has a side facing away from the at least one semiconductor chip
  • exit surface extending across curvature, as is the case for example with converging lenses or in Fresnel lenses.
  • the base area and the exit surface parallel or average parallel
  • Roughening can be provided for better radiation decoupling.
  • the optical attachment tapers away from the at least one
  • Semiconductor chip preferably monotone or strictly monotone.
  • the optics attachment can taper, so that the optical attachment sections may have a constant width.
  • the optics attachment preferably does not widen at any point in the direction away from the semiconductor chip, apart from roughening, damage, or manufacturing tolerances. That the
  • Optical attachment tapers refers to at least one or more cross sections, preferably on all cross sections through the optical attachment through, especially in the direction
  • the at least one low-refraction layer is located between the first low-refraction layer
  • the low-refractive-index layer or one of the low-refractive-index layers is preferably located directly on the main side and / or directly on a phosphor body attached to the main side.
  • this includes
  • Optoelectronic semiconductor device at least one
  • Semiconductor chip for generating radiation, at least one low-refractive layer and an optical attachment, which is optically downstream of a main side of the semiconductor chip.
  • a reflector surrounds the optical attachment laterally all around and is for reflection of the radiation and of visible light
  • the optical attachment has a base area facing the semiconductor chip and an exit area facing away from the semiconductor chip. In the direction away from the semiconductor chip, the optical attachment tapers.
  • the low refractive layer lies between the main side and the exit surface.
  • the current density in LED chips can not be increased arbitrarily, so that a luminance of LED chips and thus also of semiconductor components based on LED chips,
  • the emitted luminance plays an important role in many applications in which the generated light is further processed in an optical system. Only if an etendue of a design is less than or equal to the etendue of the optical system, the emitted light becomes usable in the application. Since a surface of the emitter, in particular of the LED chip, linearly enters the etendue, the usable luminous flux is often due to the
  • the luminance of the design can be determined over that of the
  • the Etendue can be optimized for the target application so that more light is available for the application.
  • At least one plane lying in the light path is used as a reflector, so the at least one low-refractive layer used. This can be at this level of one contrary to the usual
  • semiconductor chips or LED chips can each other other flat emitter with a corresponding optical attachment, a low-refractive layer and a
  • Reflector be provided, such as organic
  • Light sources such as fluorescent tubes.
  • the exit surface of the optical attachment can by a
  • Coating or by structuring in terms of transmission and emission characteristics can be adjusted.
  • the optical attachment and / or the reflector can have light-scattering properties that control the flow of light through the
  • one or more phosphor bodies are located between the optical attachment and the semiconductor chip.
  • the at least one phosphor body is set up for the partial or complete conversion of the radiation of the at least one semiconductor chip into a longer-wavelength secondary radiation. If several semiconductor chips are present, each semiconductor chip can have a separate one
  • Be assigned to phosphor body or it may be a single phosphor body on all semiconductor chips
  • a plurality of phosphor bodies can be assigned to one of the semiconductor chips.
  • different phosphor bodies may be present, which are assigned to different semiconductor chips.
  • the base area completely covers the phosphor body or bodies. That is, the at least one phosphor body is covered over the entire surface of the optical attachment.
  • low refractive index layer has a thickness of at least 5 L or 10 L, where L is the maximum intensity vacuum wavelength of the radiation emitted by the semiconductor chip during operation. Alternatively or additionally, the thickness is included
  • Connecting means such as an adhesive layer is present, with which the respective components are fastened together.
  • the structuring can be done by a
  • Refractive index difference between the optics cap and low refractive layer at least 0.15 or 0.25 or 0.3.
  • Refractive index difference between the optics cap and low refractive layer at least 0.15 or 0.25 or 0.3.
  • Refractive index difference at most 1.0 or 0.5 or 0.47.
  • the refractive index difference is between 0.3 and 0.5, inclusive, to a high
  • the optical attachment is designed in several parts and thus has several parts.
  • the parts of the optical attachment follow each other in the direction away from the main side of the semiconductor chip.
  • adjacent parts each have a low-refractive layer is arranged. Furthermore, there is preferably one
  • low-refractive layer at the base ie at one the semiconductor chip side facing the part of the optical attachment, which is closest to the semiconductor chip.
  • a number of the low-refractive layers are in particular equal to the number of parts of the optical attachment.
  • the reflector is narrower in the region of the low-refractive-index layer than in the region of the semiconductor chip.
  • the reflector can form a receptacle for the semiconductor chip.
  • the optical attachment has one or more spacers.
  • the at least one spacer preferably defines a thickness of
  • the spacer can completely penetrate the low refractive index layer.
  • the spacer extends to the main side of the semiconductor chip and / or to the top of the
  • the spacer can be used as a ring
  • this includes
  • Semiconductor component one or more spacers.
  • the at least one spacer is located between the optical attachment and the semiconductor chip.
  • the low-refractive layer can be defined.
  • the low-refractive-index layer and the spacer body preferably have the same thickness. It is possible that the spacer body is designed as a sealing ring against a material of the reflector.
  • a quotient of the base area and a height of the optical attachment is at least 1 mm or 2 mm or 3 mm or 4 mm. Alternatively or additionally, this quotient is at most 30 mm or 20 mm or 15 mm or 12 mm or 10 mm or 8 mm.
  • Base area denotes the surface area of the surface facing the at least one semiconductor chip, measured approximately in mm 2.
  • the height is the extent of the optics attachment
  • a quotient of the base area and the emission area is at least 1 or 1.05 or 1.5 or 2. Alternatively or additionally, this quotient is at most 8 or 5 or 3.5. In other words, the footprint is about twice or three times the size of the radiating surface. For example, with a quotient of 1, a preferably area-preserving transformation of the emission surface is possible, for example from a rectangle to a square of the same size.
  • the base has a size of at least 1 mm ⁇ or 4 mm ⁇ or 6 mm ⁇
  • Optics essay at least 0.2 mm or 1 mm or 1.5 mm and / or at most 7 mm or 5 mm or 3 mm.
  • the optical attachment is seen in cross-section and along a direction away from the semiconductor chip partially or completely shaped like a symmetrical trapezoid.
  • a mirror symmetry axis is preferably aligned perpendicular to the base surface and / or perpendicular to the main side of the semiconductor chip. This indicates the
  • the optical attachment is designed as a regular truncated pyramid with a square or rectangular base.
  • the optical attachment is seen in cross section and shaped away from the at least one semiconductor chip from the following three basic forms: rectangle, symmetrical trapezoid, rectangle.
  • rectangle symmetrical trapezoid
  • rectangle the trapeze between two rectangles can be introduced.
  • the side surfaces of the optical attachment thus run on the
  • the optical attachment preferably has a single cross-section
  • the optical attachment is seen in cross section and in the direction away from the at least one semiconductor chip partially or completely shaped like a step pyramid, preferably as a symmetrical
  • the stepped pyramid can be regularly shaped and seen in plan view in particular have two or four axes of symmetry, depending on whether the base is square or rectangular, which is preferably the case.
  • the step pyramid has two or three stages but may be formed by four or more stages his.
  • the individual steps of the step pyramid are in
  • Seen cross-section preferably formed by rectangles.
  • Optics essay seen in cross-section also be shaped asymmetrically. In this case, it is possible for the optical attachment to have no axis of symmetry in at least one or in all cross sections.
  • the optical attachment is seen in cross-section partially or completely concave curved.
  • a mirror symmetry axis is aligned, for example, perpendicular to the base surface.
  • Concave in this context means, in particular, that the optical attachment near the semiconductor chip tapers more strongly than in regions that are farther from the semiconductor chip. Because of the concave curvature, therefore, a rate of rejuvenation in
  • a concave curved portion is combined with a rectangular base.
  • the optics attachment may be curved in regions or completely convexly, so that the optics attachment then tapers more strongly at least in areas further away from the semiconductor chip than in areas that lie closer to the semiconductor chip.
  • the base surface is square or rectangular or regularly hexagonal.
  • the radiating surface in plan view on a different geometric shape.
  • the radiating surface is then round or circular or
  • the side surface may also have a kink and / or a step, or also several kinks and / or several steps. In this case, the side surface is not continuously differentiable.
  • the reflector is partially or completely formed by a potting.
  • the potting is diffusely reflective for visible light and the radiation from the semiconductor chip.
  • the casting can appear white to a viewer.
  • the potting is made of a transparent and radiation-transparent matrix material such as a silicone or an epoxide, which is filled with metal oxide particles, such as titanium dioxide.
  • the encapsulation is remote from the at least one semiconductor chip
  • Reflector top plan shaped.
  • the reflector upper side can run parallel to the main side of the at least one semiconductor chip. That's it possible that the semiconductor device appears rectangular in cross-section.
  • the potting which forms the reflector, at the at least one
  • Reflector top near the optics tower is impermeable to radiation and / or visible light.
  • Reflector top flush with the radiating surface. That is, the reflector top and the radiating surface may lie in a common plane and / or smoothly merge.
  • the reflector is locally or completely by a specular
  • the reflective coating formed on the optical attachment.
  • the coating can be applied directly to the side surfaces of the reflector.
  • the reflective coating covers at least 30% or 50% or 70% or 95% of the side surfaces of the optical attachment and / or at most 90% or 60%.
  • the reflector is composed of the reflective coating and the reflective potting and thus specular and diffuse
  • the reflective coating is a metal coating, alternatively a dielectric coating, for example in the form of a Bragg mirror.
  • a thickness of the coating is preferably at most 10 ⁇ m or 2 ⁇ m or 0.5 ⁇ m.
  • this thickness is at most 1% of the height of the optical attachment.
  • the coating is thus thin compared to the optical attachment.
  • this includes
  • Semiconductor chips are preferably arranged in a regular pattern. Preferably, at least four or six and / or at most 32 or 16 of the semiconductor chips are present, which are preferably arranged in a square grid.
  • the optical attachment is preferably free of a beam guiding device for individual or groups of the semiconductor chips. That is, after entering the optics essay blurs a difference between
  • the spaces have, for example, a width of
  • the spaces can be partial or
  • Potting body is preferably reflective, designed at least for the primary radiation, preferably also for the secondary radiation and / or visible light.
  • Figures 1 to 8 are schematic sectional views of
  • Figure 9A is a schematic sectional view of a
  • Figure 9B is a schematic perspective view of the
  • Figures 10 to 12 are schematic sectional views of
  • Figures 13A and 13B are schematic plan views
  • Figure 1 is an embodiment of a
  • Optoelectronic semiconductor device 1 shown. On a support 9, for example of a ceramic circuit board or a metal core board, a semiconductor chip 2 is arranged. A light-emitting main side 20 of the semiconductor chip 2 faces away from the carrier 9.
  • the carrier 9 preferably comprises conductor tracks and connection points for electrical
  • electrical insulation layers may be present, not drawn.
  • the semiconductor chip 2 is an optical attachment 4, for example made of sapphire, downstream.
  • the optical attachment 4 is made of a transparent, transparent material for visible light and has a comparatively high refractive index for radiation generated by the semiconductor chip 2 during operation.
  • a low-refractive layer 6 which has a relatively small refractive index for the radiation generated during operation. For example, it is in the
  • the low-refractive-index layer 6 around a thin layer of low refractive silicon. Since sapphire has a refractive index of about 1.8 and the silicone has a refractive index of about 1.4, there is a refractive index jump of about 0.4 between the low refractive index layer 6 and the optical device 4.
  • the low-refractive-index layer 6 can also be composed of a gas such as air or nitrogen or else formed by an evacuated region.
  • the optical attachment 4 tapers in the direction away from the semiconductor chip 2. As a result, the optical attachment 4 acts as Light concentrator and the semiconductor device 1 has a smaller Lichtabstrahlflache, so that higher
  • Luminance can be realized.
  • the optical attachment 4 is composed for example of two areas. Directly at the low refractive layer 6 and thus directly at a base A of
  • Optics essay 4 is a rectangular in cross-section area. Directly on a semiconductor chip 2 facing away from the exit surface B of the optical attachment 4 is a trapezoidal region. The areas merge into each other in a bend 43. Side surfaces 42 of the optical attachment 4 are each formed planar. A thickness of the rectangular area at the base area A is preferably at least 0.1 mm and / or at most 0.5 mm. A height of
  • Optics attachment 4 overall is preferably at least 0.5 mm and / or at most 3 mm.
  • the semiconductor component 1 comprises a reflector 5 with a reflector upper side 51 lying opposite the carrier 9.
  • the reflector upper side 51 merges into the exit surface B in a planar manner. Due to the reflector 5 that appears
  • Semiconductor component 1 seen in cross section rectangular and is a total of cuboid.
  • the reflector 5 is preferably formed by encapsulation, for example by a silicone filled with titanium dioxide particles, so that the reflector diffusely reflects and appears white.
  • low refractive index layer 6 is a totally reflective one Interface for radiation, which passes from the reflector 5 around the optical attachment 4 to the low-refractive layer 6. This makes it possible to achieve effective light recycling, since absorption of this radiation component in the semiconductor chip 2 can be avoided.
  • Refractive index jump is preferably not too large, so that a Lichteinkoppeleffizienz from the semiconductor chip 2 forth in the optical attachment 4 is high enough.
  • the semiconductor chip 2 is shown in more detail in FIG.
  • the semiconductor chip 2 comprises a
  • the semiconductor layer sequence 21 is optionally located on a chip substrate 25
  • Chips substrate 25 is preferably a replacement carrier for a
  • Growth substrate may also be a growth substrate for the semiconductor layer sequence 21.
  • the chip substrate 25 is a replacement carrier, a chip mirror 24, for example a metal mirror or a metal-dielectric combination mirror, is preferably located between the replacement carrier and the semiconductor layer sequence 21.
  • On the main side 20 of the semiconductor chip 2 is preferably provided with a structuring 22 to a high
  • Main page 20 a passivation 23 may be attached.
  • Such a structuring 45 and / or antireflection layer as well as such a semiconductor chip 2, as illustrated in connection with FIG. 2, are preferably also present in all other exemplary embodiments.
  • the optical attachment 4 is composed of several parts 4a, 4b.
  • the parts 4a, 4b become smaller and smaller in the direction away from the semiconductor chip 2, relative to a lateral extent. Further, the refractive indices of the parts 4a, 4b move away from the semiconductor chip 2
  • Refractive index has as the part 4a, which is closer to the semiconductor chip 2. Notwithstanding the representation in Figure 3, the parts 4a, 4b seen in cross-section also have different basic shapes.
  • This low-refractive layer 6 covers the adjacent surfaces of the parts 4a, 4b preferably completely or at least predominantly, in particular at least 90%.
  • the layers 6 are preferably all made of the same material, but a refractive index of the individual layers 6 in the direction away from the semiconductor chip 2 may also decrease.
  • Such multi-part optical attachments 4 can, unlike shown, also be used in all other embodiments. As in all other embodiments, a staggered with respect to the outer contour in cross-section shaped reflector 5 can be used. Alternatively, unlike in Figure 3, a cuboid reflector 5 may be used.
  • the semiconductor component 1 in addition to a phosphor body 3.
  • the phosphor body 3 is attached directly to the main side 20. It is located between the
  • Phosphor body 3 and the main side 20 only a thin adhesive layer 8, preferably with a thickness of at most 5 ym or 2 ym.
  • the low-refractive-index layer 6 is located on an upper side 30 of the phosphor body 3 facing away from the main side 20.
  • Semiconductor chip 2 and optionally the adhesive layer 8 can be arranged congruently one above the other, as well as the optical attachment 4.
  • the optical attachment 4 is seen in cross section composed of two rectangular areas on the exit surface B and on the base A and a trapezoidal, intermediate region. Due to the rectangular
  • the reflector 5 is also light-tight on the entire reflector top 51, so that emerges from the semiconductor device 1 only at the exit surface B, the light generated.
  • FIG. 5 illustrates that the phosphor body 3 does not act on the semiconductor chip 2 but on the optical attachment 4
  • Adhesive layer available.
  • the optical attachment 4 of Figure 5 has seen on the exit surface B in cross-section a concave shape.
  • Area with the concave shape is mounted on a cuboid base directly to the base A.
  • the cuboid and the concave area merge into one another with a bend 43.
  • FIG. 6 illustrates that the reflector 5 has a broadening in the region of the semiconductor chip 2.
  • a recess for receiving the semiconductor chip 2 is formed.
  • the low refractive index layer 6 may be made of a gas because a thickness of the layer 6 is defined by the reflector 5.
  • the reflector 5 is preferred
  • the optical attachment 4 and the semiconductor chip 2 can be placed in the finished reflector 5 and the
  • Semiconductor chip 2 may be wider than semiconductor chip 2 itself.
  • the optical attachment 4 has a spacer 48, for example a ring around the base A around the outside.
  • the spacer 48 the low-refractive layer 6 is defined, which is for example made of a gas.
  • the semiconductor component 1 of FIG. 8 additionally comprises, for example, an annular spacer 7.
  • the spacer 7 may be made of a transparent material.
  • Spacer 7 is the low-refractive layer 6,
  • the optical attachment 4 made of a material with a
  • the spacer 7 and / or the spacer 48 can seal a cavity for the low-refractive layer 6.
  • the optical attachment 4 can first be placed on the semiconductor chip 2 and the reflector 5 then formed subsequently. If a phosphor body is present on the optical attachment 4 or on the semiconductor chip 2, then the spacer body 7 and / or the spacer 48 can rest on the optical attachment 4 and / or on the semiconductor chip 2.
  • the side surfaces 42 are each formed by two straight sections, separated by the kink 43.
  • the two sections of the optical attachment 4 are thus designed in each case truncated pyramid, the portion further away from the semiconductor chip 2 has on the side surfaces 42 a greater pitch.
  • a plurality of the semiconductor chips 2 are present, for example six
  • FIG. 10 illustrates that the optical attachment 4 can be realized by a stepped pyramid with two or even more, in the present case four stages. Furthermore, it is shown in FIG. 10 that the reflector 5 is covered by a coating
  • the base A and the exit surface B are preferably free of this coating 5. Die
  • Coating 5 is for example a speculum
  • the coating 5 can extend laterally next to the low-refractive-index layer 6 or, unlike the one shown, terminate flush with the base area A.
  • a potting body 5c is present, in which the
  • the coating 5 and optionally the carrier 9 can be embedded.
  • the potting body 5c can be
  • Such a coating for the reflector 5, as shown in Figure 10, may also be present in the embodiments of Figures 1 to 9, in addition to the casting for the
  • the side surfaces 42 are partially formed by the reflector 5a in the form of a specularly reflecting coating and partly by the reflector 5b in the form of a diffusely reflecting encapsulation.
  • the Side surfaces 42 optionally have a kink 43.
  • Base A oriented and straight.
  • An area between the semiconductor chips 2 may be filled by the reflector 5b.
  • a corresponding combination of a coating and a casting on the side surfaces 42 is also possible in all other embodiments.
  • the optical attachment 4 can significantly project beyond the semiconductor chips 2 in the lateral direction, unlike in the exemplary embodiments of FIGS. 1 to 10. Further, FIG. 1
  • Scattering agent 49 is formed, for example, by light-scattering particles. It is possible that the scattering agent 49
  • the scattering means 49 can also be distributed homogeneously in the optical attachment 4.
  • Corresponding configurations can also be applied in all other embodiments in a corresponding manner.
  • FIG. 12 illustrates that the exit surface B is provided with the structuring 45.
  • the structuring 45 is formed, for example, by regularly arranged domes. About the structuring 45 a Lichtauskoppeleffizienz is steigerbar. The structuring 45 may project beyond the reflector top 51 or, unlike FIG. 12
  • Reflected reflector 5 may also include an optically effective coating such as the antireflective coating
  • the optical attachment 4 is formed by two truncated pyramids and by a cuboid.
  • the truncated pyramid which is located closer to, for example, only one semiconductor chip 2, has steeper side surfaces 42 than the centrally arranged truncated pyramid.
  • the reflector 5 is designed as a potting, but the potting forms a contour of the optical attachment 4 after. Thus, the semiconductor device 1 is not seen in cross section
  • FIG. 13A it is shown that the base area A and the main side of the semiconductor chip or the arrangement of the
  • exit surface B is round, preferably shaped as an ellipse. A transition from the larger, angular base area A to the round, smaller exit area B preferably proceeds continuously and without cracks or edges.
  • optical attachment 4 can each with a
  • Reflector 5 in the form of a coating and / or a
  • Vergusses be combined.
  • the different configurations for the low refractive index layer and the Carrier and for the optional potting body 5c and also the scattering means 49 can be combined with each other.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil (1) mindestens einen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Strahlung, eine niedrigbrechende Schicht (6) sowie einen Optikaufsatz (4), der einer Hauptseite (20) des Halbleiterchips (2) optisch nachgeordnet ist. Ein Reflektor (5) umgibt den Optikaufsatz (4) seitlich ringsum und ist zur Reflexion der Strahlung und von sichtbarem Licht eingerichtet. Der Optikaufsatz (4) weist eine dem Halbleiterchip (2) zugewandte Grundfläche (A) und eine dem Halbleiterchip (2) abgewandte Austrittsfläche (B) auf. In Richtung weg von dem Halbleiterchip (2) verjüngt sich der Optikaufsatz (4). Die niedrigbrechende Schicht (6) liegt zwischen der Hauptseite (20) und der Austrittsfläche (B).

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUTEIL
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das eine hohe Leuchtdichte aufweist .
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen
Ansprüche .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil einen oder mehrere Halbleiterchips. Der mindestens eine Halbleiterchip ist zur Erzeugung einer
Strahlung, insbesondere einer Primärstrahlung, eingerichtet. Bei der Strahlung handelt es sich bevorzugt um sichtbares Licht, speziell um blaues Licht. Alternativ kann die
Strahlung auch ultraviolette Strahlung sein, beispielsweise mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 360 nm oder 385 nm und/oder von höchstens 420 nm oder 405 nm. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich bevorzugt um einen Leuchtdiodenchip, kurz LED-Chip. Weiterhin ist es möglich, dass der zumindest eine Halbleiterchip zur Erzeugung von infraroter Strahlung eingerichtet ist, insbesondere von nahinfraroter Strahlung etwa mit einem Intensitätsmaximum bei mindestens 680 nm und/oder bei höchstens 1060 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip oder jeder der Halbleiterchips je eine Hauptseite auf. Die Hauptseite ist bevorzugt eine Strahlungsaustrittsfläche, insbesondere die einzige
Strahlungsaustrittsfläche des betreffenden Halbleiterchips. Sind mehrere Halbleiterchips und damit mehrere
Strahlungsaustrittsflächen vorhanden, so können die
Strahlungsaustrittsflächen in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Zur Erzeugung der Strahlung umfasst der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge verfügt über eine aktive Zone, welche bevorzugt einen pn- Übergang und/oder eine QuantentopfStruktur aufweisen kann.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert etwa auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n-mGamN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie
AlnIn]__n-mGamP oder auch um ein Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n-mGamAs oder wie AlnGamIn]__n-mAs P]_-k, wobei jeweils 0 d n < 1, 0 d m < 1 und n + m < 1 sowie 0 d k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der
Halbleiterschichtenfolge 0 < n < 0,8, 0,4 < m < 1 und n + m < 0,95 sowie 0 < k < 0,5. Dabei kann die
Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das
Halbleiterbauteil einen Optikaufsatz oder mehrere
Optikaufsätze. Der mindestens eine für die Strahlung und/oder für sichtbares Licht durchlässige, bevorzugt klarsichtige, Optikaufsatz ist der mindestens einen Hauptseite des
zumindest einen Halbleiterchips optisch nachgeordnet. Der Optikaufsatz kann einstückig oder mehrstückig aufgebaut sein. Bei einem mehrstückigen Optikaufsatz können die einzelnen Teilstücke unmittelbar aneinander angebracht sein oder auch getrennt voneinander in dem Halbleiterbauteil vorliegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Optikaufsatz einstückig und monolithisch geformt. Insbesondere ist der Optikaufsatz frei von internen Hohlräumen. Der Optikaufsatz ist dann beispielsweise aus einem einzigen Stück und/oder aus einem einzigen Material gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Optikaufsatz aus einem hochbrechenden Material, etwa aus einem Kunststoff wie Polycarbonat, Silikon oder Epoxid oder einem
Hybridmaterial hieraus. Weiterhin kann der Optikaufsatz aus einem Glas oder einem Mineral sein. Insbesondere ist der Optikaufsatz aus einem Material, zum Beispiel Saphir, mit einem Brechungsindex von mindestens 1,55 oder 1,7 oder 1,8 oder 2,0, bezogen auf die Wellenlänge maximaler Intensität der Strahlung des Halbleiterchips und auf eine Temperatur von 300 K. Ist der Optikaufsatz mehrteilig gestaltet, so können die einzelnen Teile aus Materialien mit verschiedenen
Brechungsindices sein, weniger bevorzugt können auch alle Teile aus dem gleichen Material sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt ein
Brechungsindex der Teile des Optikaufsatzes in Richtung weg vom Halbleiterchip ab. Das heißt, weiter vom Halbleiterchip entfernt befindliche Teile weisen einen niedrigeren
Brechungsindex auf. Innerhalb der einzelnen Teile kann der Brechungsindex konstant sein. Die bevorzugt jeweils
zugehörigen niedrigbrechenden Schichten können
dementsprechend angepasst sein, sodass ein Brechungsindex der niedrigbrechenden Schichten in Richtung weg von dem
Halbleiterchip ebenfalls abnehmen kann, alternativ aber auch gleichbleiben kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Optikaufsatz um kein abbildendes Element. Das heißt, der Optikaufsatz verfügt über keinen Brennpunkt und über keine Brennebene. Insbesondere ist der Optikaufsatz nicht als Sammellinse gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil eine oder mehrere niedrigbrechende
Schichten. Ein Brechungsindex der wenigstens einen
niedrigbrechenden Schicht für die Strahlung liegt bevorzugt bei höchstens 1,5 oder 1,4 oder 1,3 oder 1,1. Zum Beispiel ist die niedrigbrechende Schicht aus einem Kunststoff wie einem Acrylat, speziell einem fluorierten Acrylat, einem niedrigbrechenden Glas oder einem Mineral wie Fluoriden, insbesondere Magnesiumfluorid. Bevorzugt handelt es sich bei der niedrigbrechenden Schicht um eine Gasschicht, etwa aus Luft oder aus einem inerten Gas wie Stickstoff oder Argon. Weniger bevorzugt ist die niedrigbrechende Schicht aus einer niedrigbrechenden Flüssigkeit. Sind mehrere niedrigbrechende Schichten vorhanden, so können diese aus Materialien mit verschiedenen Brechungsindices sein oder auch jeweils aus dem gleichen Material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil einen oder mehrere Reflektoren. Der
mindestens eine Reflektor ist seitlich an dem Optikaufsatz und an der niedrigbrechenden Schicht angebracht. Bevorzugt umgibt der Reflektor den Optikaufsatz und die
niedrigbrechende Schicht ringsum formschlüssig. Es ist möglich, dass Seitenflächen des Optikaufsatzes und/oder der niedrigbrechenden Schicht teilweise oder vollständig von dem Reflektor bedeckt sind. Der Reflektor kann sich direkt an den Seitenflächen befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor zur Reflexion der im Halbleiterchip erzeugten Strahlung und/oder von sichtbarem Licht eingerichtet. Dies bedeutet
beispielsweise, dass der Reflektor im Spektralbereich von 380 nm bis 700 nm eine mittlere Reflektivität oder
durchgehend eine Reflektivität von mindestens 80 % oder 90 % oder 95 % aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Reflektor dazu eingerichtet sein, eine durch einen optionalen Konverter erzeugte Sekundärstrahlung zu reflektieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Optikaufsatz eine dem mindestens einen Halbleiterchip zugewandte
Grundfläche auf. Die Grundfläche kann plan gestaltet sein. Insbesondere ist die Grundfläche parallel zur Hauptseite des zumindest einen Halbleiterchips ausgerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Optikaufsatz eine dem mindestens einen Halbleiterchip abgewandte
Austrittsfläche auf. Die Austrittsfläche liegt der
Grundfläche gegenüber. Es ist möglich, dass die Grundfläche und die Austrittsfläche im Mittel plan geformt sind, also keine sich insgesamt über die Grundfläche oder die
Austrittsfläche hinweg erstreckende Krümmung aufweisen, wie dies beispielsweise bei Sammellinsen oder auch bei Fresnel- Linsen der Fall ist. Insbesondere können die Grundfläche und die Austrittsfläche parallel oder im Mittel parallel
zueinander orientiert sein. 'Im Mittel plan' schließt nicht aus, dass insbesondere die Austrittsfläche mit einer
Aufrauung zur besseren Strahlungsauskopplung versehen sein kann .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verjüngt sich der Optikaufsatz in Richtung weg von dem mindestens einen
Halbleiterchip, bevorzugt monoton oder streng monoton.
'Streng monoton' bedeutet, dass sich der Optikaufsatz in Richtung weg vom Halbleiterchip kontinuierlich und stetig verjüngt. 'Monoton' bedeutet, dass sich der Optikaufsatz in Richtung weg von dem Halbleiterchip auch stufenförmig
verjüngen kann, sodass der Optikaufsatz abschnittsweise eine gleichbleibende Breite aufweisen kann. Jedoch verbreitert sich der Optikaufsatz bevorzugt an keiner Stelle in Richtung weg von dem Halbleiterchip, von Aufrauungen, Beschädigungen oder Herstellungstoleranzen abgesehen. Dass sich der
Optikaufsatz verjüngt, bezieht sich auf zumindest einen oder auf mehrere Querschnitte, bevorzugt auf alle Querschnitte durch den Optikaufsatz hindurch, speziell in Richtung
senkrecht zur Abstrahlfläche und/oder zur Grundfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die mindestens eine niedrigbrechende Schicht zwischen der
Hauptseite und der Austrittsfläche. Bevorzugt liegt die niedrigbrechende Schicht oder eine der niedrigbrechenden Schichten direkt an der Hauptseite und/oder direkt an einem auf die Hauptseite angebrachten Leuchtstoffkörper .
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauteil mindestens einen
Halbleiterchip zur Erzeugung einer Strahlung, mindestens eine niedrigbrechende Schicht sowie einen Optikaufsatz, der einer Hauptseite des Halbleiterchips optisch nachgeordnet ist. Ein Reflektor umgibt den Optikaufsatz seitlich ringsum und ist zur Reflexion der Strahlung und von sichtbarem Licht
eingerichtet. Der Optikaufsatz weist eine dem Halbleiterchip zugewandte Grundfläche und eine dem Halbleiterchip abgewandte Austrittsfläche auf. In Richtung weg von dem Halbleiterchip verjüngt sich der Optikaufsatz. Die niedrigbrechende Schicht liegt zwischen der Hauptseite und der Austrittsfläche.
Die Stromdichte in LED-Chips kann nicht beliebig erhöht werden, sodass eine Leuchtdichte von LED-Chips und damit auch von Halbleiterbauteilen, die auf LED-Chips basieren,
beschränkt ist. Der emittierten Leuchtdichte kommt für viele Anwendungen jedoch eine wichtige Rolle zu, in denen das erzeugte Licht in einem optischen System weiterverarbeitet wird. Nur falls eine Etendue einer Bauform kleiner oder gleich der Etendue des optischen Systems ist, wird das emittierte Licht in der Anwendung nutzbar. Da eine Fläche des Emitters, insbesondere des LED-Chips, linear in die Etendue eingeht, ist der nutzbare Lichtstrom oft durch die
Leuchtdichte der Bauform und die Etendue des optischen
Systems beschränkt.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterbauteil lässt sich einerseits die Leuchtdichte der Bauform über die der
einzelnen LED-Chips steigern, und andererseits lässt sich die Etendue auf die Zielanwendung optimieren, sodass mehr Licht für die Anwendung nutzbar zur Verfügung steht.
Dabei soll Strahlung vom Halbleiterchip außerhalb einer vorgegebenen Etendue eine weitere Chance erhalten, das
Halbleiterbauteil innerhalb der Ziel-Etendue zu verlassen. Dies ist auch unter dem Stichwort light-recycling bekannt. Dafür wird üblicherweise der Halbleiterchip selbst als
Reflektor verwendet. Bei dem hier beschriebenen
Halbleiterbauteil dagegen wird zusätzlich mindestens eine im Lichtpfad liegende Ebene als Reflektor verwendet, also die mindestens eine niedrigbrechende Schicht eingesetzt. Damit kann auf diese Ebene von einer entgegen der üblichen
Emissionsrichtung her einfallendes Licht durch interne
Totalreflexion innerhalb eines gewissen Winkelbereichs nahezu verlustfrei reflektiert werden.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist insbesondere, dass das Konzept nicht durch die Reflektivität des Halbleiterchips selbst begrenzt wird. So liegt die Reflektivität
beispielsweise für rot emittierende LEDs um die
Emissionswellenlänge im Bereich von lediglich 30 %. Hierbei soll jedoch ein Brechungsindexsprung an der niedrigbrechenden Schicht auch nicht zu groß sein, um eine Lichteinkopplung in den Optikaufsatz nicht zu stark zu reduzieren.
Anstelle von Halbleiterchips oder LED-Chips können auch jeweils andere flächige Emitter mit einem entsprechenden Optikaufsatz, einer niedrigbrechenden Schicht und einem
Reflektor versehen werden, beispielsweise organische
Leuchtdioden oder flächige Anordnungen von anderen
Lichtquellen wie Leuchtstoffröhren .
Die Austrittsfläche des Optikaufsatzes kann durch eine
Beschichtung oder durch eine Strukturierung hinsichtlich Transmission und Emissionscharakteristik angepasst werden.
Der Optikaufsatz und/oder der Reflektor können lichtstreuende Eigenschaften aufweisen, die den Lichtfluss durch die
Austrittsfläche optimieren. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich zwischen dem Optikaufsatz und dem Halbleiterchip ein oder mehrere Leuchtstoffkörper . Der mindestens eine Leuchtstoffkörper ist zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Strahlung des zumindest einen Halbleiterchips in eine längerwellige Sekundärstrahlung eingerichtet. Sind mehrere Halbleiterchips vorhanden, so kann jedem Halbleiterchip ein separater
Leuchtstoffkörper zugeordnet sein, oder es kann sich ein einziger Leuchtstoffkörper über alle Halbleiterchips
gemeinsam erstrecken. Ebenso können mehrere Leuchtstoffkörper einem der Halbleiterchips zugeordnet sein. Ferner können unterschiedliche Leuchtstoffkörper vorhanden sein, die verschiedenen Halbleiterchips zugeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die Grundfläche den oder die Leuchtstoffkörper vollständig. Das heißt, der mindestens eine Leuchtstoffkörper ist ganzflächig von dem Optikaufsatz bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
niedrigbrechende Schicht eine Dicke von mindesten 5 L oder 10 L auf, wobei L die Vakuumwellenlänge maximaler Intensität der von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierten Strahlung ist. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke bei
mindestens 5 ym oder 10 ym und/oder bei höchstens 0,3 mm oder 0,1 mm oder 50 ym oder 20 ym. Sind mehrere niedrigbrechende Schichten vorhanden, so gilt dies bevorzugt für jede einzelne niedrigbrechende Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der
Leuchtstoffkörper direkt an der Hauptseite des betreffenden Halbleiterchips oder direkt an der Grundfläche des Optikaufsatzes. 'Direkt' schließt nicht aus, dass ein
Verbindungsmittel wie eine Kleberschicht vorhanden ist, mit der die jeweiligen Komponenten aneinander befestigt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip an der Hauptseite eine Strukturierung auf. Aufgrund der Strukturierung ist eine Auskoppeleffizienz der Strahlung aus dem Halbleiterchip heraus erhöht, und/oder es erfolgt eine gerichtetere Abstrahlung hin zum Optikaufsatz, im Vergleich zu einem Halbleiterchip ohne eine solche
Strukturierung. Die Strukturierung kann durch eine
unregelmäßige Aufrauung oder durch eine regelmäßige
Oberflächentextur gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein
Brechungsindexunterschied zwischen dem Optikaufsatz und der niedrigbrechenden Schicht bei mindestens 0,15 oder 0,25 oder 0,3. Alternativ oder zusätzlich liegt der
Brechungsindexunterschied bei höchstens 1,0 oder 0,5 oder 0,47. Bevorzugt liegt der Brechungsindexunterschied zwischen einschließlich 0,3 und 0,5, um einen hohen
Totalreflexionsanteil an der niedrigbrechenden Schicht für Strahlung vom Reflektor her kommend und eine hohe Einkopplung von Strahlung in den Optikaufsatz hinein vom Halbleiterchip her zu erhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Optikaufsatz mehrteilig gestaltet und weist somit mehrere Teile auf. Die Teile des Optikaufsatzes folgen in Richtung weg von der Hauptseite des Halbeiterchips aufeinander. Zwischen
benachbarten Teilen ist je eine niedrigbrechende Schicht angeordnet. Ferner befindet sich bevorzugt eine
niedrigbrechende Schicht an der Grundfläche, also an einer dem Halbleiterchip zugewandten Seite des Teils des Optikaufsatzes, der dem Halbleiterchip am nächsten liegt.
Eine Anzahl der niedrigbrechenden Schichten ist insbesondere gleich der Anzahl der Teile des Optikaufsatzes.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor im Bereich der niedrigbrechenden Schicht schmäler geformt als im Bereich des Halbleiterchips. Damit kann der Reflektor eine Aufnahme für den Halbleiterchip bilden. Somit ist der
Halbleiterchip definiert in dem Reflektor lagerbar, optional zusammen mit dem Leuchtstoffkörper, selbst wenn die
niedrigbrechende Schicht aus einem Gas ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Optikaufsatz einen oder mehrere Abstandshalter auf. Der mindestens eine Abstandshalter definiert bevorzugt eine Dicke der
niedrigbrechenden Schicht. Der Abstandshalter kann die niedrigbrechende Schicht vollständig durchdringen.
Insbesondere reicht der Abstandshalter bis zur Hauptseite des Halbleiterchips und/oder bis zur Oberseite des
Leuchtstoffkörpers . Der Abstandshalter kann als Ring
gestaltet sein, der den Optikaufsatz außen an der Grundfläche ringsum umläuft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil einen oder mehrere Distanzkörper. Der mindestens eine Distanzkörper befindet sich zwischen dem Optikaufsatz und dem Halbleiterchip. Mittels des
Distanzkörpers kann die niedrigbrechende Schicht definiert sein. Bevorzugt weisen die niedrigbrechende Schicht und der Distanzkörper die gleiche Dicke auf. Es ist möglich, dass der Distanzkörper als Dichtring gegen ein Material des Reflektors gestaltet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Grundfläche und einer Höhe des Optikaufsatzes bei mindestens 1 mm oder 2 mm oder 3 mm oder 4 mm. Alternativ oder zusätzlich beträgt dieser Quotient höchstens 30 mm oder 20 mm oder 15 mm oder 12 mm oder 10 mm oder 8 mm. Die
Grundfläche bezeichnet den Flächeninhalt der dem mindestens einen Halbleiterchip zugewandten Fläche, gemessen etwa in mm^ . Die Höhe ist die Ausdehnung des Optikaufsatzes
insbesondere von der Grundfläche bis zur Austrittsfläche, bestimmt insbesondere in Richtung senkrecht zur Grundfläche und gemessen etwa in mm. Damit ergibt sich für den Quotienten aus der Grundfläche und der Höhe eine Längeneinheit wie mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Grundfläche und der Abstrahlfläche bei mindestens 1 oder 1,05 oder 1,5 oder 2. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 8 oder 5 oder 3,5. Mit anderen Worten ist die Grundfläche ungefähr doppelt oder dreifach so groß wie die Abstrahlfläche. Beispielsweise bei einem Quotienten von 1 ist eine bevorzugt flächenerhaltende Umformung der Abstrahlfläche möglich, zum Beispiel von einem Rechteck auf ein gleich großes Quadrat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Grundfläche eine Größe von mindestens 1 mm^ oder 4 mm^ oder 6 mm^
und/oder von höchstens 50 mm^ oder 30 mm^ oder 15 mm^ auf. Alternativ oder zusätzlich gilt, dass die Höhe des
Optikaufsatzes bei mindestens 0,2 mm oder 1 mm oder 1,5 mm und/oder bei höchstens 7 mm oder 5 mm oder 3 mm liegt.
Entsprechend ergeben sich die oben genannten Werte für den Quotienten aus der Grundfläche und der Höhe. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Optikaufsatz im Querschnitt gesehen und entlang einer Richtung weg von dem Halbleiterchip bereichsweise oder ganz wie ein symmetrisches Trapez geformt. Eine Spiegelsymmetrieachse ist bevorzugt senkrecht zur Grundfläche und/oder senkrecht zur Hauptseite des Halbleiterchips ausgerichtet. Damit weist der
Optikaufsatz bereichsweise oder in Gänze konstant schräg zur Grundfläche verlaufende Seitenflächen auf. Insbesondere ist der Optikaufsatz als regelmäßiger Pyramidenstumpf gestaltet mit einer quadratischen oder rechteckigen Grundfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Optikaufsatz im Querschnitt gesehen und in Richtung weg von dem mindestens einen Halbleiterchip aus den folgenden drei Grundformen geformt: Rechteck, symmetrisches Trapez, Rechteck. Damit kann das Trapez zwischen zwei Rechtecken eingebracht sein. Die Seitenflächen des Optikaufsatzes verlaufen somit an dem
Halbleiterchip senkrecht zur Grundfläche, dann konstant schräg und anschließend wieder senkrecht. Der Optikaufsatz weist im Querschnitt gesehen bevorzugt eine einzige
Spiegelsymmetrieachse senkrecht zur Grundfläche auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Optikaufsatz im Querschnitt gesehen und in Richtung weg von dem mindestens einen Halbleiterchip bereichsweise oder komplett wie eine Stufenpyramide geformt, bevorzugt wie eine symmetrische
Stufenpyramide. Die Stufenpyramide kann regelmäßig geformt sein und in Draufsicht gesehen insbesondere zwei oder vier Symmetrieachsen aufweisen, abhängig davon, ob die Grundfläche quadratisch oder rechteckig ist, was bevorzugt der Fall ist. Die Stufenpyramide weist zum Beispiel zwei oder drei Stufen auf, kann aber auch durch vier oder mehr Stufen gebildet sein. Die einzelnen Stufen der Stufenpyramide sind im
Querschnitt gesehen bevorzugt durch Rechtecke gebildet.
Alternativ zu einem symmetrischen Aufbau kann der
Optikaufsatz im Querschnitt gesehen auch asymmetrisch geformt sein. In diesem Fall ist es möglich, dass der Optikaufsatz in zumindest einem oder in allen Querschnitten gesehen keine Symmetrieachse aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Optikaufsatz im Querschnitt gesehen bereichsweise oder komplett konkav gekrümmt. Dabei ist eine Spiegelsymmetrieachse beispielsweise senkrecht zur Grundfläche ausgerichtet. Konkav bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass sich der Optikaufsatz nahe dem Halbleiterchip stärker verjüngt als in Bereichen, die weiter vom Halbleiterchip entfernt sind. Aufgrund der konkaven Krümmung kann also eine Rate der Verjüngung in
Richtung weg von dem Halbleiterchip kontinuierlich und/oder stetig abnehmen. Beispielsweise wird im Querschnitt gesehen ein konkav gekrümmter Bereich mit einem rechteckigen Sockel kombiniert .
Alternativ kann der Optikaufsatz im Querschnitt gesehen bereichsweise oder komplett konvex gekrümmt sein, sodass sich der Optikaufsatz dann zumindest bereichsweise weiter entfernt vom Halbleiterchip stärker verjüngt als in Bereichen, die näher am Halbleiterchip liegen.
Die vorgenannten Ausführungen zur Form des Optikaufsatzes können für den Optikaufsatz insgesamt oder auch nur für einzelne Teile eines mehrteiligen Optikaufsatzes gelten. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Grundfläche quadratisch oder rechteckig oder regelmäßig sechseckig gestaltet. Dagegen weist die Abstrahlfläche in der Draufsicht eine andere geometrische Grundform auf. Insbesondere ist die Abstrahlfläche dann rund oder kreisförmig oder
ellipsenförmig .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform geht die Grundfläche in Richtung weg von dem mindestens einen Halbleiterchip mit einer stetig differenzierbaren Seitenfläche in die
Abstrahlfläche über. Das heißt etwa, dass im Querschnitt senkrecht zur Grundfläche gesehen jede Seitenlinie der
Seitenfläche knickfrei verlaufen kann.
Alternativ kann die Seitenfläche auch einen Knick und/oder eine Stufe aufweisen oder auch mehrere Knicke und/oder mehrere Stufen. In diesem Fall ist die Seitenfläche nicht stetig differenzierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor teilweise oder vollständig durch einen Verguss gebildet.
Bevorzugt ist der Verguss diffus reflektierend für sichtbares Licht und die Strahlung vom Halbleiterchip. Der Verguss kann einem Betrachter weiß erscheinen. Beispielsweise ist der Verguss aus einem transparenten und strahlungsdurchlässigen Matrixmaterial wie einem Silikon oder einem Epoxid, das mit Metalloxidpartikeln, etwa aus Titandioxid, gefüllt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Verguss an einer dem mindestens einen Halbleiterchip abgewandten
Reflektoroberseite plan geformt. Alternativ oder zusätzlich kann die Reflektoroberseite parallel zur Hauptseite des mindestens einen Halbleiterchips verlaufen. Dadurch ist es möglich, dass das Halbleiterbauteil im Querschnitt quaderförmig erscheint.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Verguss, der den Reflektor bildet, an der dem mindestens einen
Halbleiterchip abgewandten Reflektoroberseite eine minimale Dicke von 0,1 mm oder 0,2 mm oder, bevorzugt, 0,3 mm auf, insbesondere direkt an dem Optikaufsatz. Dadurch kann
sichergestellt werden, dass der Reflektor auch an der
Reflektoroberseite nahe dem Optikaufsatz undurchlässig für die Strahlung und/oder für sichtbares Licht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließt die
Reflektoroberseite bündig mit der Abstrahlfläche ab. Das heißt, die Reflektoroberseite und die Abstrahlfläche können in einer gemeinsamen Ebene liegen und/oder glatt ineinander übergehen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor stellenweise oder vollständig durch eine spekular
reflektierende Beschichtung an dem Optikaufsatz gebildet. Die Beschichtung kann unmittelbar auf die Seitenflächen des Reflektors aufgebracht sein. Beispielsweise bedeckt die reflektierende Beschichtung mindestens 30 % oder 50 % oder 70 % oder 95 % der Seitenflächen des Optikaufsatzes und/oder höchstens 90 % oder 60 %.
Insbesondere ist es möglich, dass der Reflektor aus der reflektierenden Beschichtung und dem reflektierenden Verguss zusammengesetzt ist und damit spekular sowie diffus
reflektierende Teilgebiete aufweist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der reflektierenden Beschichtung um eine Metallbeschichtung, alternativ um eine dielektrische Beschichtung etwa in Form eines Bragg-Spiegels . Eine Dicke der Beschichtung liegt bevorzugt bei höchstens 10 ym oder 2 ym oder 0,5 ym.
Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 1 % der Höhe des Optikaufsatzes. Die Beschichtung ist damit dünn gegenüber dem Optikaufsatz.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil mehrere der Halbleiterchips. Die
Halbleiterchips sind bevorzugt in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Bevorzugt sind mindestens vier oder sechs und/oder höchstens 32 oder 16 der Halbleiterchips vorhanden, die bevorzugt in einem quadratischen Raster angeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Halbleiterchips zusammenhängend und ununterbrochen von der Grundfläche überdeckt. Dabei ist der Optikaufsatz bevorzugt frei von einer Strahlführungseinrichtung für einzelne oder Gruppen der Halbleiterchips. Das heißt, nach Eintritt in den Optikaufsatz verschwimmt ein Unterschied zwischen
Strahlungsanteilen, die von den unterschiedlichen
Halbleiterchips kommen. Mit anderen Worten liegt ein
einziger, gemeinsamer und intern unstrukturierter
Optikaufsatz für alle Halbleiterchips zusammen vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zwischen
benachbarten Halbleiterchips Zwischenräume gebildet. Die Zwischenräume weisen beispielsweise eine Breite von
mindestens 1 ym und/oder höchstens 150 ym oder 50 ym oder 10 ym auf. Die Zwischenräume können teilweise oder
vollständig mit einem Vergusskörper ausgefüllt sein. Der Vergusskörper ist bevorzugt reflektierend, zumindest für die Primärstrahlung, bevorzugt auch für die Sekundärstrahlung und/oder für sichtbares Licht, gestaltet.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil 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:
Figuren 1 bis 8 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figur 9A eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figur 9B eine schematische perspektivische Darstellung des
Halbleiterbauteils der Figur 9A,
Figuren 10 bis 12 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
Figuren 13A und 13B schematische Draufsichten auf
Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen. In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines
optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Auf einem Träger 9, beispielsweise aus einer Keramikleiterplatte oder einer Metallkernplatine, ist ein Halbleiterchip 2 angeordnet. Eine lichtabstrahlende Hauptseite 20 des Halbleiterchips 2 ist dem Träger 9 abgewandt. Der Träger 9 umfasst bevorzugt Leiterbahnen und Anschlussstellen zur elektrischen
Kontaktierung des Halbleiterchips 2, nicht gezeichnet.
Dementsprechend können elektrische Isolationsschichten vorhanden sein, nicht gezeichnet.
Dem Halbleiterchip 2 ist ein Optikaufsatz 4, beispielsweise aus Saphir, nachgeordnet. Damit ist der Optikaufsatz 4 aus einem transparenten, klarsichtigen Material für sichtbares Licht und weist einen vergleichsweise hohen Brechungsindex für vom Halbleiterchip 2 im Betrieb erzeugte Strahlung auf.
Zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Optikaufsatz 4 befindet sich eine niedrigbrechende Schicht 6, die für die im Betrieb erzeugte Strahlung einen relativ kleinen Brechungsindex aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei der
niedrigbrechenden Schicht 6 um eine dünne Schicht eines niedrigbrechenden Silikons. Da Saphir einen Brechungsindex von zirka 1,8 und das Silikon einen Brechungsindex von ungefähr 1,4 aufweist, liegt zwischen der niedrigbrechenden Schicht 6 und dem Optikaufsatz 4 ein Brechungsindexsprung von ungefähr 0,4 vor. Alternativ zu einem Feststoff kann die niedrigbrechende Schicht 6 auch aus einem Gas wie Luft oder Stickstoff sein oder auch durch einen evakuierten Bereich gebildet werden.
Der Optikaufsatz 4 verjüngt sich in Richtung weg von dem Halbleiterchip 2. Dadurch wirkt der Optikaufsatz 4 als Lichtkonzentrator und das Halbleiterbauteil 1 weist eine kleinere Lichtabstrahlflache auf, sodass sich höhere
Leuchtdichten realisieren lassen.
Der Optikaufsatz 4 ist zum Beispiel aus zwei Bereichen zusammengesetzt. Direkt an der niedrigbrechenden Schicht 6 und damit unmittelbar an einer Grundfläche A des
Optikaufsatzes 4 befindet sich ein im Querschnitt gesehen rechteckiger Bereich. Direkt an einer dem Halbleiterchip 2 abgewandten Austrittsfläche B des Optikaufsatzes 4 befindet sich ein trapezförmiger Bereich. Die Bereiche gehen in einem Knick 43 ineinander über. Seitenflächen 42 des Optikaufsatzes 4 sind jeweils planar geformt. Eine Dicke des rechteckigen Bereichs an der Grundfläche A liegt bevorzugt bei mindestens 0,1 mm und/oder bei höchstens 0,5 mm. Eine Höhe des
Optikaufsatzes 4 insgesamt liegt bevorzugt bei mindestens 0,5 mm und/oder bei höchstens 3 mm.
Ferner umfasst das Halbleiterbauteil 1 einen Reflektor 5 mit einer dem Träger 9 gegenüberliegenden Reflektoroberseite 51. Die Reflektoroberseite 51 geht planar in die Austrittsfläche B über. Aufgrund des Reflektors 5 erscheint das
Halbleiterbauteil 1 im Querschnitt gesehen rechteckig und ist insgesamt quaderförmig.
Der Reflektor 5 ist bevorzugt durch einen Verguss gebildet, beispielsweise durch ein mit Titandioxid-Partikeln gefülltes Silikon, sodass der Reflektor diffus reflektiert und weiß erscheint .
Durch den Brechungsindexsprung zwischen dem Optikaufsatz 4 und der niedrigbrechenden Schicht 6 bildet die
niedrigbrechende Schicht 6 eine totalreflektierende Grenzfläche für Strahlung aus, die vom Reflektor 5 um den Optikaufsatz 4 herum hin zur niedrigbrechenden Schicht 6 gelangt. Damit lässt sich ein effektives Lichtrecycling erreichen, da eine Absorption dieses Strahlungsanteils im Halbleiterchip 2 vermieden werden kann. Der
Brechungsindexsprung ist hierbei bevorzugt nicht zu groß, sodass eine Lichteinkoppeleffizienz vom Halbleiterchip 2 her in den Optikaufsatz 4 hoch genug ist.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist gezeigt, dass der Optikaufsatz 4 an der Austrittsfläche B mit einer
Strukturierung 45 und/oder mit einer Antireflexschicht versehen sein kann, um aus dem hochbrechenden Optikaufsatz 4 heraus eine hohe Lichtauskoppeleffizienz zu erreichen.
Weiterhin ist in Figur 2 der Halbleiterchip 2 detaillierter dargestellt. Der Halbleiterchip 2 umfasst eine
Halbleiterschichtenfolge 21. Die Halbleiterschichtenfolge 21 befindet sich optional an einem Chipsubstrat 25. Das
Chipsubstrat 25 ist bevorzugt ein Ersatzträger für ein
Aufwachssubstrat, kann aber auch ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge 21 sein. Ist das Chipsubstrat 25 ein Ersatzträger, so befindet sich zwischen dem Ersatzträger und der Halbleiterschichtenfolge 21 bevorzugt ein Chipspiegel 24, zum Beispiel ein Metallspiegel oder ein Metall-Dielektrik- Kombinationsspiegel .
An der Hauptseite 20 ist der Halbleiterchip 2 bevorzugt mit einer Strukturierung 22 versehen, um eine hohe
Lichtauskoppeleffizienz und eine gerichtete Abstrahlung hin zum Optikaufsatz 4 zu erzielen. Weiterhin kann an der
Hauptseite 20 eine Passivierung 23 angebracht sein. Eine solche Strukturierung 45 und/oder Antireflexschicht sowie ein solcher Halbleiterchip 2, wie in Verbindung mit Figur 2 illustriert, sind bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden.
Gemäß Figur 3 ist der Optikaufsatz 4 aus mehreren Teilen 4a, 4b zusammengesetzt. Die Teile 4a, 4b werden in Richtung weg von dem Halbleiterchip 2 immer kleiner, bezogen auf eine laterale Ausdehnung. Weiter nehmen die Brechungsindices der Teile 4a, 4b in Richtung weg von dem Halbleiterchip 2
bevorzugt ab, sodass das Teil 4b einen kleineren
Brechungsindex aufweist als das Teil 4a, das sich näher am Halbleiterchip 2 befindet. Abweichend von der Darstellung in Figur 3 können die Teile 4a, 4b im Querschnitt gesehen auch unterschiedliche Grundformen aufweisen.
Zwischen benachbarten Teilen 4a, 4b befindet sich eine der niedrigbrechenden Schichten 6. Diese niedrigbrechende Schicht 6 bedeckt die angrenzenden Flächen der Teile 4a, 4b bevorzugt vollständig oder zumindest überwiegend, insbesondere zu mindestens 90 %. Die Schichten 6 sind bevorzugt alle aus dem gleichen Material, jedoch kann auch ein Brechungsindex der einzelnen Schichten 6 in Richtung weg von dem Halbleiterchip 2 abnehmen.
Es können auch mehr als zwei Teile 4a, 4b und mehr als zwei der niedrigbrechenden Schichten 6 vorhanden sein.
Solche mehrteiligen Optikaufsätze 4 können, anders als dargestellt, auch in allen anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen kann ein bezüglich der Außenkontur im Querschnitt gesehen gestuft geformter Reflektor 5 verwendet werden. Alternativ kann, anders als in Figur 3 dargestellt, auch ein quaderförmiger Reflektor 5 verwendet werden.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist das
Halbleiterbauteil 1 zusätzlich einen Leuchtstoffkörper 3 auf. Der Leuchtstoffkörper 3 ist direkt an der Hauptseite 20 angebracht. Dabei befindet sich zwischen dem
Leuchtstoffkörper 3 und der Hauptseite 20 nur eine dünne Kleberschicht 8, bevorzugt mit einer Dicke von höchstens 5 ym oder 2 ym.
Die niedrigbrechende Schicht 6 befindet sich an einer der Hauptseite 20 abgewandten Oberseite 30 des Leuchtstoffkörpers 3. Der Leuchtstoffkörper 3, die Schicht 6 sowie der
Halbleiterchip 2 und optional die Kleberschicht 8 können deckungsgleich übereinander angeordnet sein, ebenso wie der Optikaufsatz 4.
Der Optikaufsatz 4 ist im Querschnitt gesehen aus zwei rechteckigen Bereichen an der Austrittsfläche B und an der Grundfläche A und einem trapezförmigen, dazwischenliegenden Bereich zusammengesetzt. Aufgrund des rechteckigen
Querschnitts des Optikaufsatzes 4 an der Austrittsfläche B ist der Reflektor 5 auch an der gesamten Reflektoroberseite 51 lichtdicht, sodass aus dem Halbleiterbauteil 1 einzig an der Austrittsfläche B das erzeugte Licht austritt.
Der Träger 9 kann weggelassen werden. Dies ist entsprechend auch in den anderen Ausführungsbeispielen möglich. In Figur 5 ist illustriert, dass der Leuchtstoffkörper 3 nicht am Halbleiterchip 2, sondern am Optikaufsatz 4
angebracht ist. Optional ist die nicht gezeichnete
Kleberschicht vorhanden.
Der Optikaufsatz 4 der Figur 5 weist an der Austrittsfläche B im Querschnitt gesehen eine konkave Gestalt auf. Dieser
Bereich mit der konkaven Gestalt ist auf einem quaderförmigen Sockel direkt an der Grundfläche A angebracht. Der Quader und der konkave Bereich gehen mit einem Knick 43 ineinander über.
In Figur 6 ist illustriert, dass der Reflektor 5 im Bereich des Halbleiterchips 2 eine Verbreiterung aufweist. Somit ist eine Ausnehmung zur Aufnahme des Halbleiterchips 2 gebildet. Damit kann die niedrigbrechende Schicht 6 aus einem Gas sein, da eine Dicke der Schicht 6 durch den Reflektor 5 definiert wird. In diesem Fall ist der Reflektor 5 bevorzugt
vorgefertigt, und der Optikaufsatz 4 sowie der Halbleiterchip 2 können in dem fertigen Reflektor 5 platziert und zum
Beispiel festgeklebt werden. Die Ausnehmung für den
Halbleiterchip 2 kann breiter sein als der Halbleiterchip 2 selbst .
Gemäß Figur 7 weist der Optikaufsatz 4 einen Abstandshalter 48 auf, beispielsweise einen Ring außen um die Grundfläche A herum. Durch den Abstandshalter 48 ist die niedrigbrechende Schicht 6 definiert, die zum Beispiel aus einem Gas ist.
Das Halbleiterbauteil 1 der Figur 8 umfasst zusätzlich einen zum Beispiel ringförmigen Distanzkörper 7. Der Distanzkörper 7 kann aus einem transparenten Material sein. Durch den
Distanzkörper 7 ist die niedrigbrechende Schicht 6,
beispielsweise aus einem Gas, definiert. Im Falle einer Gasschicht für die niedrigbrechende Schicht 6 kann der Optikaufsatz 4 aus einem Material mit einem
vergleichsweise geringen Brechungsindex sein, zum Beispiel aus einem Silikon, um einen Brechungsindexunterschied um 0,4 zu realisieren.
Der Distanzkörper 7 und/oder der Abstandshalter 48 können einen Hohlraum für die niedrigbrechende Schicht 6 abdichten. So kann der Optikaufsatz 4 zuerst auf den Halbleiterchip 2 aufgesetzt und der Reflektor 5 dann anschließend angeformt werden. Ist ein Leuchtstoffkörper am Optikaufsatz 4 oder am Halbleiterchip 2 vorhanden, so können der Distanzkörper 7 und/oder der Abstandshalter 48 am Optikaufsatz 4 und/oder am Halbleiterchip 2 aufsitzen.
In Figur 8 ist außerdem gezeigt, dass die Seitenflächen 42 im Querschnitt gesehen jeweils durch zwei gerade verlaufende Abschnitte gebildet sind, durch den Knick 43 separiert. Die beiden Abschnitte des Optikaufsatzes 4 sind damit jeweils pyramidenstumpfförmig gestaltet, der Abschnitt weiter von dem Halbleiterchip 2 weg weist an den Seitenflächen 42 eine größere Steigung auf.
Im Ausführungsbeispiel der Figuren 9A und 9B sind mehrere der Halbleiterchips 2 vorhanden, zum Beispiel sind sechs
Halbleiterchips 2 in einer 2 x 3-Anordnung montiert. Die Halbleiterchips 2 weisen beispielsweise eine Grundfläche von jeweils 2 mm^ auf, sodass eine Größe der Grundfläche A insgesamt bei ungefähr 12 mm^ liegt. Die Seitenflächen 42 des Optikaufsatzes 4 verlaufen durchgehend konkav gekrümmt von der Grundfläche A bis hin zur Austrittsfläche B. In Figur 10 ist illustriert, dass der Optikaufsatz 4 durch eine Stufenpyramide mit zwei oder auch mit mehr, vorliegend vier Stufen, realisiert sein kann. Weiterhin ist in Figur 10 gezeigt, dass der Reflektor 5 durch eine Beschichtung
gebildet sein kann, die die Seitenflächen 42 vollständig bedecken kann. Die Grundfläche A sowie die Austrittsfläche B sind bevorzugt frei von dieser Beschichtung 5. Die
Beschichtung 5 ist beispielsweise eine spekular
reflektierende metallische Schicht oder auch ein
dielektrischer Schichtenstapel, beispielsweise ein Bragg- Spiegel. Die Beschichtung 5 kann sich seitlich neben der niedrigbrechenden Schicht 6 erstrecken oder, anders als gezeichnet, bündig mit der Grundfläche A abschließen.
Optional ist ein Vergusskörper 5c vorhanden, in dem der
Optikaufsatz 4, die Beschichtung 5 und optional der Träger 9 eingebettet sein können. Der Vergusskörper 5c kann
reflektierend und insbesondere weiß gestaltet sein oder auch transparent oder absorbierend, etwa schwarz, je nach den jeweiligen Anforderungen an das Halbleiterbauteil 1.
Eine solche Beschichtung für den Reflektor 5, wie in Figur 10 gezeigt, kann auch in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 9 vorhanden sein, zusätzlich zu dem Verguss für den
Reflektor 5. Hierdurch ist es möglich, dass die
reflektierende Wirkung nicht durch den Verguss, sondern durch die Beschichtung entsteht. Dadurch wird weniger Lichtleistung und damit auch weniger Wärme in den Verguss eingebracht.
In Figur 11 ist gezeigt, dass die Seitenflächen 42 teilweise durch den Reflektor 5a in Form einer spekular reflektierenden Beschichtung und teilweise durch den Reflektor 5b in Form eines diffus reflektierenden Vergusses gebildet sind. Die Seitenflächen 42 weisen optional einen Knick 43 auf.
Unterhalb des Knicks 43, näher an den Halbleiterchips 2, sind die Seitenflächen 42 durchgehend konkav gekrümmt, oberhalb des Knicks 43 sind die Seitenflächen 42 senkrecht zur
Grundfläche A orientiert und verlaufen gerade. Ein Bereich zwischen den Halbleiterchips 2 kann durch den Reflektor 5b ausgefüllt sein.
Eine entsprechende Kombination aus einer Beschichtung und einem Verguss an den Seitenflächen 42 ist auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Optional kann der Optikaufsatz 4 die Halbleiterchips 2 in seitlicher Richtung signifikant überragen, anders als in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 10. Ferner ist in Figur 11 die Möglichkeit illustriert, dass in den
Optikaufsatz 4 ein Streumittel 49 eingebracht ist. Das
Streumittel 49 ist zum Beispiel durch lichtstreuende Partikel gebildet. Es ist möglich, dass das Streumittel 49
sedimentiert im Optikaufsatz 4 nahe der Halbleiterchips 2 konzentriert ist. Alternativ zur Darstellung der Figur 11 kann das Streumittel 49 auch homogen im Optikaufsatz 4 verteilt vorliegen. Entsprechende Konfigurationen können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen in entsprechender Weise angewandt werden.
In Figur 12 ist illustriert, dass die Austrittsfläche B mit der Strukturierung 45 versehen ist. Die Strukturierung 45 ist zum Beispiel durch regelmäßig angeordnete Kuppeln gebildet. Über die Strukturierung 45 ist eine Lichtauskoppeleffizienz steigerbar. Die Strukturierung 45 kann die Reflektoroberseite 51 überragen oder, abweichend von Figur 12, auch vom
Reflektor 5 überragt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Strukturierung 45 kann auch eine optisch wirksame Beschichtung wie die Antireflexbeschichtung
vorhanden sein. Entsprechendes gilt für alle anderen
Ausführungsbeispiele .
Der Optikaufsatz 4 ist durch zwei Pyramidenstümpfe und durch einen Quader gebildet. Der Pyramidenstumpf, der sich näher an dem beispielsweise nur einen Halbleiterchip 2 befindet, weist steiler verlaufende Seitenflächen 42 auf als der mittig angeordnete Pyramidenstumpf.
Der Reflektor 5 ist als Verguss gestaltet, jedoch formt der Verguss eine Kontur des Optikaufsatzes 4 nach. Damit ist das Halbleiterbauteil 1 im Querschnitt gesehen nicht
notwendigerweise rechteckig geformt.
In Figur 13A ist dargestellt, dass die Grundfläche A und die Hauptseite des Halbleiterchips oder die Anordnung der
Halbleiterchips 2 rechteckig gestaltet sind. Demgegenüber ist die Austrittsfläche B rund, bevorzugt als Ellipse, geformt. Ein Übergang von der größeren, eckigen Grundfläche A hin zur runden, kleineren Austrittsfläche B verläuft bevorzugt kontinuierlich und ohne Sprünge oder Kanten.
In Figur 13B ist illustriert, dass die Grundfläche A
quadratisch ist und die zugehörige Austrittsfläche B als Kreis geformt ist.
Die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellten Formen für den Optikaufsatz 4 können jeweils mit einem
Reflektor 5 in Form einer Beschichtung und/oder eines
Vergusses kombiniert werden. Ebenso sind die verschiedenen Konfigurationen für die niedrigbrechende Schicht und den Träger sowie für den optionalen Vergusskörper 5c und auch das Streumittel 49 miteinander kombinierbar.
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 Patentanmeldung 10 2018 113 607.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Be zugs zeichenliste
1 optoelektronisches Halbleiterbauteil
2 Halbleiterchip
20 Hauptseite
21 Halbleiterschichtenfolge
22 Strukturierung
23 Passivierung
24 Chipspiegel
25 Chipsubstrat
3 Leuchtstoffkörper
30 Oberseite des Leuchtstoffkörpers
4 Optikaufsatz
4a, 4b Teile des Optikaufsatzes
42 Seitenfläche des Optikaufsatzes
43 Knick in der Seitenfläche des Optikaufsatzes 45 Strukturierung
48 Abstandshalter
49 Streumittel
5 Reflektor
51 Reflektoroberseite
6 niedrigbrechende Schicht
7 Di stanz körper
8 KleberSchicht
9 Träger
A Grundfläche des Optikaufsatzes
B Austrittsfläche des Optikaufsatzes

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit
- mindestens einem Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Hauptseite (20),
- einem nichtabbildenden Optikaufsatz (4), der der Hauptseite (20) des mindestens einen Halbleiterchips (2) optisch
nachgeordnet ist,
- wenigstens einer niedrigbrechenden Schicht (6), und
- einem Reflektor (5), der den Optikaufsatz (4) und die wenigstens eine niedrigbrechende Schicht (6) seitlich ringsum umgibt und der zur Reflexion der Strahlung und/oder von sichtbarem Licht eingerichtet ist,
wobei
- der Optikaufsatz (4) eine dem mindestens einen
Halbleiterchip (2) zugewandte Grundfläche (A) und eine dem mindestens einen Halbleiterchip (2) abgewandte
Austrittsfläche (B) aufweist,
- sich der Optikaufsatz (4) in Richtung weg von dem
mindestens einen Halbleiterchip (2) verjüngt, und
- sich die mindestens eine niedrigbrechende Schicht (6) zwischen der Hauptseite (20) und der Austrittsfläche (B) befindet .
2. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich zwischen dem mindestens einen Halbleiterchip (2) und dem Optikaufsatz (4) zumindest ein Leuchtstoffkörper (3) befindet, der zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Strahlung des Halbleiterchips (2) in eine längerwellige Sekundärstrahlung eingerichtet ist,
wobei die Grundfläche (A) den Leuchtstoffkörper (3)
vollständig bedeckt.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich der Leuchtstoffkörper (3) entweder direkt an der Hauptseite (20) oder direkt an der Grundfläche (A) befindet.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem sich die niedrigbrechende Schicht (6) direkt an der Hauptseite (20) des Halbleiterchips (2) oder direkt an einer der Hauptseite (20) abgewandten Oberseite (30) des
Leuchtstoffkörpers (3) befindet.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die niedrigbrechende Schicht (6) eine Dicke von mindesten 5 L aufweist, wobei L die Vakuumwellenlänge
maximaler Intensität der von dem Halbleiterchip (2) im
Betrieb emittierten Strahlung ist, und
wobei die Dicke der niedrigbrechenden Schicht (6) höchstens 0 , 1 mm beträgt .
6. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Halbleiterchip (2) an der Hauptseite (20) eine Strukturierung (22) aufweist, sodass eine Auskoppeleffizienz der Strahlung aus dem Halbleiterchip (2) erhöht ist und eine gerichtetere Abstrahlung hin zum Optikaufsatz (4) erfolgt.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem ein Brechungsindexunterschied zwischen dem
Optikaufsatz (4) und der niedrigbrechenden Schicht (6) bei mindestens 0,25 und bei höchstens 1,0 liegt.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Optikaufsatz (4) mehrteilig gestaltet ist und mehrere Teile (4a, 4b) umfasst,
wobei die Teile (4a, 4b) in Richtung weg von der Hauptseite (20) des Halbeiterchips (2) aufeinanderfolgen und zwischen benachbarten Teilen (4a, 4b) je eine niedrigbrechende Schicht (6) angeordnet ist.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Reflektor (5) im Bereich der niedrigbrechenden Schicht (6) schmäler ist als im Bereich des Halbleiterchips (2), sodass der Reflektor (5) eine Aufnahme für den
Halbleiterchip (2) bildet.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Optikaufsatz (4) mindestens einen Abstandshalter (48) aufweist,
wobei mittels des Abstandshalters (48) eine Dicke der
niedrigbrechenden Schicht (6) definiert ist und der
Abstandshalter (48) bis zur Hauptseite (20) oder bis zur Oberseite (30) des Leuchtstoffkörpers (3) reicht.
11. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ferner umfassend mindestens einen Distanzkörper (7),
wobei sich der Distanzkörper (7) zwischen dem Optikaufsatz (4) und dem Halbleiterchip (2) befindet und die gleiche Dicke aufweist wie die niedrigbrechende Schicht (6) .
12. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- ein Quotient aus der Grundfläche (A) und einer Höhe des Optikaufsatzes (4) zwischen einschließlich 1 mm und 30 mm liegt,
- ein Quotient aus der Grundfläche (A) und der Abstrahlfläche (B) zwischen einschließlich 1,05 und 5 liegt,
- die Grundfläche (A) zwischen einschließlich 1 mm^ und
30 mm^ groß ist, und
- die Höhe zwischen einschließlich 0,2 mm und 5 mm beträgt.
13. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Optikaufsatz (4) im Querschnitt gesehen entlang einer Richtung weg von dem mindestens einen Halbleiterchip (2) bereichsweise oder in Gänze wie ein symmetrisches Trapez geformt ist.
14. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem der Optikaufsatz (4) im Querschnitt gesehen in
Richtung weg von dem mindestens einen Halbleiterchip (2) aus den folgenden drei Grundformen geformt ist: Rechteck, symmetrisches Trapez, Rechteck.
15. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem der Optikaufsatz (4) im Querschnitt gesehen entlang einer Richtung weg von dem mindestens einen Halbleiterchip (2) bereichsweise oder in Gänze wie eine symmetrische
Stufenpyramide geformt ist.
16. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Optikaufsatz (4) im Querschnitt gesehen
symmetrisch konkav gekrümmt geformt ist.
17. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Grundfläche (A) quadratisch oder rechteckig ist, wohingegen die Abstrahlfläche (B) in Draufsicht gesehen kreisförmig oder ellipsenförmig ist,
wobei die Grundfläche (A) in Richtung weg von dem mindestens einen Halbleiterchip (2) mit einer stetig differenzierbaren Seitenfläche (42) in die Abstrahlfläche (B) übergeht.
18. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Reflektor (5) durch einen Verguss gebildet ist, der diffus reflektiert und der einem Betrachter weiß
erscheint,
wobei der Verguss an einer dem mindestens einen
Halbleiterchip (2) abgewandten Reflektoroberseite (51) plan geformt ist und parallel zu einer Hauptseite (20) des mindestens einen Halbleiterchips (2) verläuft.
19. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem der Verguss an der dem mindestens einen
Halbleiterchip (2) abgewandten Reflektoroberseite (51) eine minimale Dicke von 0,2 mm aufweist,
wobei die Reflektoroberseite (51) bündig mit der
Abstrahlfläche (B) abschließt.
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