WO2020038722A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements Download PDF

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WO2020038722A1
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phosphor
conversion layer
phosphor particles
semiconductor component
radiation exit
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PCT/EP2019/071249
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Ivar Tangring
Rebecca RÖMER
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Osram Oled Gmbh
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    • H01L2933/0033—Processes relating to semiconductor body packages
    • H01L2933/0041—Processes relating to semiconductor body packages relating to wavelength conversion elements

Definitions

  • One task to be solved is to provide a conversion element with increased efficiency and / or improved heat management.
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor component is to be specified.
  • the optoelectronic semiconductor component comprises a semiconductor chip which emits electromagnetic radiation from a first one during operation
  • Wavelength range emitted by a radiation exit surface Preferably, the optoelectronic
  • Semiconductor chip such as a light-emitting diode chip, has an epitaxially grown semiconductor layer sequence with an active zone, which is suitable for generating electromagnetic radiation.
  • the active zone points to this for example a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well, or particularly preferably one
  • the semiconductor chip preferably emits electromagnetic radiation from a blue wavelength range.
  • the conversion layer is preferably arranged on the radiation exit surface of the semiconductor chip.
  • the conversion layer converts electromagnetic radiation of the first wavelength range into
  • Wavelength range is different.
  • Conversion layer at least two individual conversion layers. It is also possible for the conversion layer to have more than two individual conversion layers. Furthermore, the conversion element can consist of two or more than two
  • Individual conversion layers of the conversion layer are arranged one above the other in a stacking direction. For example, two individual conversion layers are in direct contact with each other.
  • each has
  • the phosphor gives the individual conversion layers and the Conversion layer preferably wavelength-converting
  • wavelength-converting means that incident electromagnetic radiation of a certain wavelength range is converted into electromagnetic radiation of another, preferably longer-wave
  • Wavelength range is converted.
  • Wavelength range converts these into electronic processes at the atomic and / or molecular level
  • the phosphor comprises an activator.
  • the activator is preferably in a
  • the activator preferably gives the phosphor the wavelength-converting properties.
  • electromagnetic radiation of the excitation wavelength is absorbed in the material and stimulates an electronic transition in the activator-based phosphor, which under
  • Wavelength range returns to the basic state.
  • An activator concentration of the phosphor in the individual conversion layers is particularly different from one another. According to a particularly preferred embodiment of the optoelectronic semiconductor component, the
  • Fluorescent on a host lattice Fluorescent on a host lattice, in which an activator is inserted.
  • the activator of the phosphor in the individual conversion layers is particularly preferably the same.
  • the individual conversion layers preferably each have one
  • Activator concentration differs.
  • the host lattice of the phosphors of the individual conversion layers differs in terms of its element composition, but not in terms of its underlying crystal structure.
  • the individual conversion layers each comprise a garnet phosphor with a
  • Single conversion layers for example, have a YAG phosphor with the chemical formula Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ , while another single conversion layer has a LuAG phosphor with the chemical formula LU 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ , in which the yttrium is completely is replaced by lutetium.
  • the individual conversion layers each have a nitride phosphor, for example a SCASN phosphor with the chemical formula (Ca, Sr) AlSiN 3 : Eu 2+ and an orthorhombic one
  • this comprises
  • Wavelength range emits from a radiation exit surface and a conversion layer which comprises at least two individual conversion layers.
  • the individual conversion layer has a phosphor which at least partially absorbs electromagnetic radiation of the first wavelength range
  • the conversion layer is applied to the radiation exit surface.
  • the single conversion layer is closer to the
  • Radiation exit surface is arranged on a phosphor whose activator concentration is less than that
  • the conversion layer has a multiplicity of individual conversion layers.
  • the activator concentration of the phosphor preferably takes in the
  • the phosphor is designed as a multiplicity of phosphor particles.
  • the phosphor particles are preferably embedded in a matrix.
  • Phosphor particles preferably have a diameter of between 1 micron and 70 microns, more preferably between 5 and 50 microns.
  • the phosphor has one
  • the absorption cross section depends on the penetration depth of the electromagnetic radiation of the first wavelength range into the phosphor particle, the activator concentration of the phosphor particle and the surface of the phosphor particle.
  • the absorption cross section is particularly preferably a measure of how much electromagnetic radiation from the first
  • Wavelength range is recorded by the phosphor and converted into electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the matrix preferably has a silicone, an epoxy or a mixture of these materials or is formed from a silicone, an epoxy or a mixture of these materials.
  • the concentration is N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl)
  • Fluorescent particles in the matrix between 15% by volume and 50% by volume. The is preferred
  • Concentration of the phosphor particles in the matrix between 20% by volume and 25% by volume.
  • the concentration is a compound having the concentration of:
  • the plurality of phosphor particles has a plurality of first phosphor particles and a plurality of second phosphor particles.
  • the first phosphor particles have a higher activator concentration than the second phosphor particles and the first
  • Fluorescent particles are lighter than the second
  • the individual conversion layer with the first phosphor particles is preferably further away from the radiation exit area of the semiconductor chip than the individual conversion layer with the second
  • the first phosphor particles and the second phosphor particles particularly preferably have the same host lattice or the same
  • Garnet phosphor and / or a nitride phosphor include or are formed from a garnet phosphor and / or a nitride phosphor.
  • the nitride phosphor has europium as the activator and the garnet phosphor has cerium.
  • the nitride phosphor can be, for example, an alkaline earth silicon nitride, an oxynitride
  • the nitride phosphor is (Ca, Sr, Ba) AlSiN3: EU 2+ ,
  • the nitride phosphor preferably has europium as an activator.
  • the converter particularly preferably converts
  • Nitride phosphor electromagnetic radiation of the first wavelength range in electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the second wavelength range is preferably in the red wavelength range.
  • the nitride phosphor preferably absorbs electromagnetic radiation in the blue wavelength range and in
  • the garnet phosphor is particularly preferably a LuAG phosphor with the chemical formula LU 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ , LuAGaG phosphor with the chemical formula LU 3 ( Al, Ga) 5 O 12 : Ce 3 + , a YAG phosphor with the chemical formula Y 3 AI 5 O 12 : Ce 3+ , a YAGaG phosphor with the chemical formula Y 3 ( Al, Ga) 5 O 12 : Ce 3+ or another garnet phosphor general chemical formula
  • the garnet phosphor particularly preferably converts electromagnetic radiation of the first wavelength range into electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the second wavelength range is preferably in the green and / or yellow
  • the garnet phosphor prefers electromagnetic radiation in the blue
  • Absorbed wavelength range and converted into electromagnetic radiation in the green and / or yellow wavelength range Absorbed wavelength range and converted into electromagnetic radiation in the green and / or yellow wavelength range.
  • the activator concentration of the garnet phosphor in the individual conversion layer which is closest to the radiation exit surface is preferably between 0.5 mol% and 2 mol% inclusive. According to a further embodiment, the
  • the activator concentration of the nitride phosphor in the individual conversion layer which is closest to the radiation exit area is preferably between 0.5 mol% and 8 mol% inclusive.
  • the activator concentration of the phosphor differs in that
  • Radiation exit area is arranged to be at least 0.5 mol%. If the activator concentration of the garnet phosphor in the individual conversion layer which is closest to the radiation exit area is 0.5 mol%, the activator concentration is in the
  • Radiation exit surface is removed, preferably larger, particularly preferably greater than 1.
  • the activator concentration is approximately 1 mol%.
  • the conversion layer has a multiplicity of individual conversion layers and a thickness of the individual conversion layers increases from the
  • the conversion layer has two inputs
  • Radiation exit surface is removed, has a smaller thickness than the single conversion layer, which is arranged closest to the radiation exit surface. thinner
  • a low maximum temperature advantageously leads to a lower one
  • this comprises
  • the individual conversion layers have a garnet phosphor and a nitride phosphor.
  • the phosphors particularly preferably convert only a part of the electromagnetic radiation from the semiconductor chip, while part of the electromagnetic radiation from the
  • the semiconductor component preferably emits white light.
  • Phosphor around a nitride phosphor such as
  • the conversion layer preferably comprises between
  • garnet phosphor particles including 70% by volume and including 95% by volume of the phosphor particles are garnet phosphors.
  • Phosphor particles about 85% by volume.
  • electromagnetic radiation from the blue wavelength range of the semiconductor chip partially becomes electromagnetic radiation from the green, yellow and / or red wavelength range in the phosphors
  • the green wavelength range is
  • the wavelength range is between, for example
  • the conversion layer of the optoelectronic semiconductor component converts
  • electromagnetic radiation of the first wavelength range as completely as possible into electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • Semiconductor chip prefers electromagnetic radiation from the blue and / or ultraviolet spectral range. This achieves a particularly high efficiency of the
  • this comprises
  • the optical element is preferably on or above one
  • the optical element preferably has one
  • the optical component particularly preferably has a silicone or is made of one
  • the optoelectronic semiconductor component can be produced using the method described below.
  • the first step is a semiconductor chip that is electromagnetic during operation
  • Conversion layer applied, preferably subsequently in the radiation direction over the radiation exit surface.
  • the conversion layer is preferably arranged in direct contact on the radiation exit surface of the semiconductor chip.
  • Conversion layer at least two individual conversion layers.
  • the individual conversion layers are preferably arranged one above the other in a stacking direction.
  • two individual conversion layers are in direct contact with each other.
  • each has
  • the activator concentration of the phosphor in the is particularly preferred
  • the individual conversion layer which is arranged closest to the radiation exit surface preferably has a lower activator concentration than the individual conversion layer which is furthest away from the radiation exit surface. According to a further embodiment of the method, the individual conversion layers become the conversion layer
  • a single conversion layer with a phosphor having a lower activator concentration is preferably first applied to the radiation exit area of the semiconductor chip.
  • the phosphor is preferably introduced as a phosphor particle in a matrix which is initially in liquid form. A thinner individual conversion layer with a phosphor having a higher activator concentration is then particularly preferably applied to the individual conversion layer with a lower activator concentration.
  • the phosphor is preferably located as
  • the phosphors are also present as phosphor particles that are embedded in a matrix.
  • the matrix is initially preferably liquid.
  • Fluorescent particles are preferred in the matrix
  • the surface to be coated is generally provided in a volume which is filled with the matrix which comprises the phosphor particles.
  • the phosphor particles then settle on the surface to be coated due to gravity.
  • the settling of the phosphor particles can also be accelerated by centrifugation.
  • the use of a diluted matrix also speeds up the process
  • Sedimentation process usually. After the phosphor particles have sunk, the matrix is preferably cured.
  • Single conversion layer usually in direct contact with each other.
  • Phosphor particles which have a plurality of first phosphor particles and a plurality of second ones
  • Phosphor particles have a higher activator concentration than the second phosphor particles and the first phosphor particles are lighter than the second
  • the first phosphor particles and the second phosphor particles particularly preferably have the same host lattice or the same
  • the phosphor particles are introduced into the matrix and
  • the Single conversion layer with the first phosphor particles is further away from the radiation exit area of the semiconductor chip than the single conversion layer with the second phosphor particles. That means that
  • Radiation exit surface is arranged, larger
  • One idea of the present semiconductor component is to have at least two in the conversion layer
  • the intensity of the radiation of the semiconductor chip generally decreases continuously with the distance from the radiation exit surface, usually exponentially, in this way the proportion of converted radiation is set in such a way that the overall conversion does not exceed a critical limit at which the efficiency decreases.
  • Activator concentration within the conversion layer can thus be optimized with regard to the degree of conversion and the thermal management.
  • the maximum temperature within the semiconductor component can advantageously be reduced in this way. The reduced maximum temperature within the
  • Semiconductor component advantageously enables the use of materials for the matrix which have a lower thermal stability, such as, for example, silicones with an increased refractive index. This usually increases the proportion of electromagnetic radiation from the first
  • Wavelength range which is coupled out of the semiconductor chip, and reduces the scatter at the
  • the reduced maximum temperature inside the semiconductor component advantageously leads to lower ones
  • the black-and-white contrast at one edge of the conversion layer is advantageously advantageously increased, since the lateral distribution of the electromagnetic radiation
  • FIGS. 1 and 2 each show a schematic sectional illustration of an optoelectronic semiconductor component according to an exemplary embodiment
  • Figure 3 shows a schematic course of the relative
  • Semiconductor chip is emitted, depending on the distance d from the radiation exit surface according to the
  • FIGS. 4 to 6 each show a schematic sectional illustration of an optoelectronic semiconductor component in accordance with one exemplary embodiment
  • Figures 7 to 10 are schematic sectional views
  • the optoelectronic semiconductor component 1 according to the
  • Embodiment of Figures 1 and 2 includes one
  • Semiconductor chip 2 sends electromagnetic in operation Radiation of a first wavelength range, in the present case blue light, from a radiation exit surface 3.
  • the conversion layer 4 is on the
  • the optoelectronic semiconductor component 1 has an optical one
  • the semiconductor chip 2 is on a thermal
  • Connection point 16 of a connection carrier applied.
  • the semiconductor chip 2 is laterally diffused
  • the diffusely reflective potting 17 has a silicone
  • Titanium dioxide particles are used.
  • the conversion layer 4 has at least two
  • Rectangle marked section shows.
  • Each individual conversion layer 5 has a phosphor, the electromagnetic radiation of a first
  • Wavelength range converted into electromagnetic radiation of a second wavelength range The
  • Host lattice and the activator are the same.
  • Phosphor particles 6 are embedded in a matrix 10 in the individual conversion layers 5.
  • the phosphor particles 6 have a garnet phosphor 8 and / or a nitride Fluorescent 9 or are formed from this.
  • the garnet phosphor 8 can, for example, be a mixture of a LuAGaG phosphor and a YAG phosphor, while the nitride phosphor 9 can be a SCASN phosphor, for example.
  • the garnet phosphor 8 converts blue light in the present case
  • Semiconductor component from mixed-colored white radiation preferably in the white area.
  • the white radiation preferably in the white area.
  • correlated color temperature of the mixed-color radiation has a value of approximately 5000 K, while the color rendering index of the mixed-colored radiation is, for example, at least 70.
  • An activator concentration of the phosphor particles 6 of the garnet phosphor 8 increases from the radiation exit area 3 of the semiconductor chip 2.
  • Radiation exit surface 3 is arranged on a garnet phosphor 8, the activator concentration is smaller than the activator concentration of the garnet phosphor 8 in the individual conversion layer 5, which is further from the
  • Radiation exit surface 3 is positioned.
  • the matrix has a silicone.
  • the thickness d n of the individual conversion layer 5, which is further away from the radiation exit surface 3, can be based on a conventional conversion layer, which is only a single individual conversion layer of the thickness 2 * do, for example, using the following formula:
  • vo1% pg is the volume fraction of the garnet phosphors 8 and vo1% pa 1.
  • Co is also the activator concentration of the garnet phosphors 8 in the individual conversion layer 5, which is arranged closer to the radiation exit surface 3, and with c n the activator concentration of the garnet phosphors 8 in the individual conversion layer 5, which is further away from the radiation exit surface 3, designated.
  • the thickness D of the conversion layer is 4 ⁇ m
  • Radiation exit surface 3 is removed, approximately
  • the number of phosphor particles 6 in the individual conversion layer 5 can be further from that Radiation exit surface 3 is removed, can be reduced. This also results in a reduced thickness of these
  • Individual conversion layers 5 advantageously lead to a reduction in the maximum temperature in the individual conversion layers 5 due to shorter paths of heat to the semiconductor chip 2, which serves as a heat sink, which leads to a
  • Semiconductor component 1 leads.
  • Figure 3 shows a schematic course of the relative
  • the intensity of the blue light decreases exponentially.
  • the relative intensity of 100% relates to the intensity of radiation emitted by the
  • Semiconductor chip 2 is emitted at the radiation exit surface 3.
  • Radiation intensity is a lower radiation intensity than the phosphors that are closer to the radiation exit surface
  • the absorption cross section of the garnet phosphors 8 is thus doubled and the phosphor particles 6 are at a position relative to the radiation exit surface 3 of the garnet phosphors 8
  • the exemplary embodiment in FIG. 4 has a conversion layer 4 which is arranged on the semiconductor chip 2.
  • Conversion layer 4 has two individual conversion layers 5, with phosphor particles 6 embedded in a matrix 10.
  • the individual conversion layers 5 have a red-emitting phosphor and / or a green-emitting phosphor and / or a yellow-emitting phosphor.
  • the phosphors are embedded in a matrix 10.
  • the red-emitting phosphor is a nitride phosphor 9, whereas the green one
  • Garnet phosphor 8 is.
  • the semiconductor device emits white light.
  • An optical element 14, for example a lens, is arranged above the conversion layer 4. For example, by increasing the activator concentration
  • the exemplary embodiment in FIG. 5 differs from the exemplary embodiment shown in FIG.
  • Fluorescent particles 6 Only garnet phosphors 8 are embedded in the conversion layer 4 here. In the present case, these are garnet phosphors that convert blue radiation into green-yellow radiation.
  • Electromagnetic radiation of the first wavelength range of a full conversion requires a comparatively large thickness D of the conversion layer 4 in order to avoid that of the
  • Semiconductor chip 2 emits electromagnetic radiation of the first wavelength range as completely as possible
  • the conversion layer 4 is divided into two or more individual conversion layers 5, which are arranged one above the other. By a higher one
  • Radiation exit surface 3 is removed, the thickness can be reduced. Because of the lesser
  • Radiation intensity in the individual conversion layer 5, which is further away from the radiation exit surface 3, can cause thermal and optical erasure effects (thermal and optical quenching) in individual
  • Phosphor particles 6 can be reduced.
  • Individual conversion layers 5 can be applied, for example, by means of spray coating.
  • the thickness D of a conventional conversion layer is approximately 120 micrometers, for example.
  • the blue light of the semiconductor chip 2 is converted at least 98% by the conversion layer 4.
  • the individual conversion layer 5 which is arranged closer to the radiation exit surface 3 of the semiconductor chip 2, can have a thickness of approximately 21 micrometers and have a simple absorption cross section. Now the absorption cross section of the garnet phosphors in the individual conversion layer 5, which is further from that
  • the individual conversion layer 5 which is arranged closer to the radiation exit surface 3 of the semiconductor chip 2, can have a thickness of approximately 33 micrometers and a simple absorption cross section.
  • the thickness of the garnet phosphors 8 triples in the individual conversion layer 5, which is further away from the radiation exit surface 3 of the semiconductor chip 2, triples, the thickness of the
  • the thickness D of the conversion layer 4 can thus be increased by tripling the absorption cross section of the garnet phosphors 8 in the individual conversion layer 5 is arranged away from the radiation exit surface 3, approximately halved.
  • the individual conversion layer 5 which is arranged closer to the radiation exit surface 3 of the semiconductor chip 2, can have a thickness of approximately 41 micrometers and a simple absorption cross section.
  • This value of the thickness D of the conversion layer 4 is thus only insignificantly smaller than the value of the thickness D of a conversion layer 4 at which the
  • Radiation exit surface 3 of the semiconductor chip 2 is removed, has tripled. Therefore, this value is probably a lower limit for the thickness D of the conversion layer 4, which can be achieved with the present concept.
  • FIG. 6 differs from the embodiment shown in FIG. 5 in the number of individual conversion layers 5. Instead of two individual conversion layers 5, three individual conversion layers are used
  • Garnet phosphors 8 are present with three different activator concentrations and thus also with three different absorption cross sections used. A complete conversion of the electromagnetic radiation of the first wavelength range, in the present case blue light, is aimed for.
  • the individual conversion layer 5 which is closest to the radiation exit surface 3 of the
  • the conversion layer 4 has an individual conversion layer 5, which in turn is subsequently arranged in the radiation direction of the semiconductor chip 2 and is furthest from the radiation exit surface 3 of the
  • Single conversion layer 5 in the present case has a garnet phosphor 8, the absorption cross section of which compared to the absorption cross section of the garnet phosphor 8 in the individual conversion layer 5, which is closest to the
  • Radiation exit surface 3 of the semiconductor chip 2 is arranged, is quadrupled.
  • This single conversion layer 5 has a thickness of approximately 20 micrometers.
  • the thickness D of the conversion layer 4 thus results in 51 micrometers starting from a conventional conversion layer 4 with a thickness of approximately 120 micrometers.
  • the thickness D of the conversion layer 4 is therefore significantly smaller than the thickness of a conventional conversion layer 4. This leads to
  • Single conversion layer 5 has a thickness of approximately 14 micrometers and garnet phosphors 8 with a 1.8-fold absorption cross section, which in turn is in
  • Single conversion layer 5 has a thickness of approximately 14.5 micrometers and garnet phosphors 8 with a five-fold absorption cross section.
  • Conversion layer 4 results from this at approximately 46.5 micrometers and is therefore approximately 61% thinner compared to the thickness of a conventional one
  • Conversion layer 4 of approximately 120 microns.
  • a recess 24 is provided in a first step (FIG. 7).
  • the semiconductor chip 2 which emits electromagnetic radiation during operation of a first
  • Wavelength range emitted from a radiation exit surface, introduced into the recess 24 ( Figure 8).
  • the matrix is in liquid form.
  • the Phosphor particles 6 comprise a large number of first ones
  • Phosphor particles 22 are lighter than the second
  • Fluorescent particles 23 The host lattice or at least its crystal structure and the activator are the same here.
  • the phosphor particles 6 are sedimented in the matrix 10 (FIG. 10). During the sedimentation, a single conversion layer 5 with the first is formed
  • Fluorescent particles 22 further from the
  • Radiation exit surface 3 of the semiconductor chip 2 is removed as the single conversion layer 5 with the second
  • Fluorescent particles 23 As a rule, no complete separation of the first phosphor particles 22 and the second phosphor particles 23 into two different individual conversion layers 5 is achieved. Then the matrix 10 is cured. The individual conversion layers 5 form the conversion layer 4.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) angegeben, mit: - einem Halbleiterchip (2), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (3)aussendet, - einer Konversionsschicht (4), die mindestens zwei Einzelkonversionsschichten (5) umfasst, wobei - jede Einzelkonversionsschicht (5) einen Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, und - eine Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den Einzelkonversionsschichten (5) voneinander verschieden ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) angegeben.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERBAUELEMENTS
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement
angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Konversionselement mit erhöhter Effizienz und/oder verbessertem Wärmemanagement anzugeben. Zusätzlich soll ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben werden .
Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches
Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des optoelektronischen
Halbleiterbauelements und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet. Bevorzugt weist der optoelektronische
Halbleiterchip, wie beispielsweise ein Leuchtdiodenchip, eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Hierzu weist die aktive Zone beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopf- oder besonders bevorzugt eine
MehrfachquantentopfStruktur auf. Bevorzugt emittiert der Halbleiterchip elektromagnetische Strahlung aus einem blauen Wellenlängenbereich .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
optoelektronische Halbleiterbauelement eine
Konversionsschicht auf. Die Konversionsschicht ist bevorzugt auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet. Die Konversionsschicht wandelt elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in
elektromagnetische Strahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs um, der von dem ersten
Wellenlängenbereich verschieden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Konversionsschicht mindestens zwei Einzelkonversionsschichten auf. Es ist auch möglich, dass die Konversionsschicht mehr als zwei Einzelkonversionsschichten aufweist. Weiterhin kann das Konversionselement aus zwei oder mehr als zwei
Einzelkonversionsschichten bestehen. Bevorzugt sind die
Einzelkonversionsschichten der Konversionsschicht in einer Stapelrichtung übereinander angeordnet. Beispielsweise stehen jeweils zwei Einzelkonversionsschichten in direktem Kontakt miteinander .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jede
Einzelkonversionsschicht einen Leuchtstoff auf, der
elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des zweiten
Wellenlängenbereichs umwandelt. Mit anderen Worten verleiht der Leuchtstoff den Einzelkonversionsschichten und der Konversionsschicht bevorzugt wellenlängenkonvertierende
Eigenschaften .
Mit dem Begriff „wellenlängenkonvertierend" ist vorliegend gemeint, dass eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines anderen, bevorzugt längerwelligen,
Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. In der Regel
absorbiert ein wellenlängenkonvertierendes Element
elektromagnetische Strahlung eines eingestrahlten
Wellenlängenbereiches, wandelt diese durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in
elektromagnetische Strahlung eines anderen
Wellenlängenbereiches um und sendet die umgewandelte
elektromagnetische Strahlung wieder aus. Insbesondere wird reine Streuung oder reine Absorption nicht als
wellenlängenkonvertierend verstanden .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Leuchtstoff einen Aktivator. Bevorzugt ist der Aktivator in ein
kristallines, beispielsweise keramisches, Wirtsgitter
eingebracht. Der Aktivator verleiht dem Leuchtstoff bevorzugt die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Die
elektronische Struktur des Aktivators wird durch das
Einbringen in das Wirtsgitter derart verändert, dass
elektromagnetische Strahlung der Anregungswellenlänge in dem Material absorbiert wird und einen elektronischen Übergang in dem Aktivator-basierten Leuchtstoff anregt, der unter
Aussenden von elektromagnetischer Strahlung des zweiten
Wellenlängenbereichs wieder in den Grundzustand übergeht. Besonders bevorzugt ist eine Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den Einzelkonversionsschichten verschieden voneinander . Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist der
Leuchtstoff ein Wirtsgitter auf, in das ein Aktivator eingebracht ist. Hierbei sind das Wirtsgitter und der
Aktivator des Leuchtstoffs in den Einzelkonversionsschichten besonders bevorzugt gleich. Mit anderen Worten weisen die Einzelkonversionsschichten bevorzugt jeweils einen
Leuchtstoff auf, der sich lediglich hinsichtlich der
Aktivatorkonzentration unterscheidet .
Weiterhin ist es auch möglich, dass sich das Wirtsgitter der Leuchtstoffe der Einzelkonversionsschichten hinsichtlich seiner Elementzusammensetzung unterscheidet, aber nicht hinsichtlich seiner zugrunde liegenden Kristallstruktur. Beispielsweise umfassen die Einzelkonversionsschichten jeweils einen Granat-Leuchtstoff mit einer
Wurtzitkristallstruktur, wobei jedoch die Gitterplätze mit verschiedenen Elementen besetzt sind. So kann eine der
Einzelkonversionsschichten beispielsweise einen YAG- Leuchtstoff mit der chemischen Formel Y3AI5O12 : Ce3+ aufweisen, während eine andere Einzelkonversionsschicht einen LuAG- Leuchtstoff der chemischen Formel LU3AI5O12 : Ce3+ aufweist, bei dem das Yttrium vollständig durch Lutetium ersetzt ist.
Weisen die Einzelkonversionsschichten jeweils einen Nitrid- Leuchtstoff, etwa einen SCASN-Leuchtstoff mit der chemischen Formel (Ca, Sr) AlSiN3 : Eu2+ und einer orthorhombischen
Kristallstruktur auf, so kann sich beispielsweise das
Verhältnis von Ca zu Sr in den Einzelkonversionsschichten unterscheiden .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet und eine Konversionsschicht, die mindestens zwei Einzelkonversionsschichten umfasst. Jede
Einzelkonversionsschicht weist bei dieser Ausführungsform einen Leuchtstoff auf, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in
elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, wobei eine Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den Einzelkonversionsschichten voneinander verschieden ist .
Gemäß einer Ausführungsform ist die Konversionsschicht auf der Strahlungsaustrittsfläche aufgebracht. Bevorzugt weist die Einzelkonversionsschicht, die näher an der
Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, einen Leuchtstoff auf, dessen Aktivatorkonzentration kleiner ist als die
Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in der
Einzelkonversionsschicht, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Konversionsschicht eine Vielzahl an Einzelkonversionsschichten auf. Bevorzugt nimmt die Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den
Einzelkonversionsschichten von der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips ausgehend zu. Beispielsweise nimmt die Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den
Einzelkonversionsschichten von der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips ausgehend kontinuierlich zu.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist der Leuchtstoff als eine Vielzahl an Leuchtstoffpartikel ausgebildet. Die Leuchtstoffpartikel sind bevorzugt in eine Matrix eingebettet. Die
Leuchtstoffpartikel weisen bevorzugt einen Durchmesser zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 70 Mikrometer, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 5 und einschließlich 50 Mikrometer auf.
Beispielsweise weist der Leuchtstoff einer
Einzelkonversionsschicht einen Absorptionsquerschnitt auf, der von dem Absorptionsquerschnitt des Leuchtstoffs einer weiteren Einzelkonversionsschicht verschieden ist. Der
Absorptionsquerschnitt ist abhängig von der Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in den Leuchtstoffpartikel, der Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffpartikels und der Fläche des Leuchtstoffpartikels . Besonders bevorzugt ist der Absorptionsquerschnitt ein Maß dafür, wie viel elektromagnetische Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs von dem Leuchtstoff aufgenommen und in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umgewandelt wird.
Bevorzugt weist die Matrix ein Silikon, ein Epoxid oder eine Mischung dieser Materialien auf oder ist aus einem Silikon, einem Epoxid oder einer Mischung dieser Materialien gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Konzentration der
Leuchtstoffpartikel in der Matrix zwischen einschließlich 15 Vol.-% und einschließlich 50 Vol.-%. Bevorzugt ist die
Konzentration der Leuchtstoffpartikel in der Matrix zwischen einschließlich 20 Vol.-% und einschließlich 25 Vol.-%.
Beispielsweise liegt die Konzentration der
Leuchtstoffpartikel in der Matrix bei ungefähr 23 Vol.-%. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vielzahl der Leuchtstoffpartikel eine Vielzahl erster Leuchtstoffpartikel und eine Vielzahl zweiter Leuchtstoffpartikel auf. Die ersten Leuchtstoffpartikel haben eine höhere Aktivatorkonzentration als die zweiten Leuchtstoffpartikel und die ersten
Leuchtstoffpartikel sind leichter als die zweiten
Leuchtstoffpartikel. Die Einzelkonversionsschicht mit den ersten Leuchtstoffpartikeln ist bevorzugt weiter von der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips entfernt als die Einzelkonversionsschicht mit den zweiten
Leuchtstoffpartikeln. Besonders bevorzugt weisen die ersten Leuchtstoffpartikel und die zweiten Leuchtstoffpartikel hierbei das gleiche Wirtsgitter oder die gleiche
Kristallstruktur des Wirtsgitters und den gleichen Aktivator auf und unterscheiden sich lediglich in der
Aktivatorkonzentration .
Gemäß einer Ausführungsform weist das optoelektronische
Halbleiterbauelement Leuchtstoffpartikel auf, die einen
Granat-Leuchtstoff und/oder einen Nitrid-Leuchtstoff umfassen oder aus einem Granat-Leuchtstoff und/oder einem Nitrid- Leuchtstoff gebildet sind. Bevorzugt weist der Nitrid- Leuchtstoff Europium als Aktivator auf und der Granat- Leuchtstoff Cer.
Bei dem Nitrid-Leuchtstoff kann es sich beispielsweise um ein Erdalkalisiliziumnitrid, ein Oxynitrid, ein
Aluminiumoxinitrid, ein Siliziumnitrid oder ein Sialon handeln. Beispielsweise handelt es sich bei dem Nitrid- Leuchtstoff um (Ca, Sr, Ba) AlSiN3 : EU2+,
(Ca, Sr) AlSiN3:Eu2+ (SCASN) , Sr (Ca, Sr) Al2Si2N6 : Eu2+ oder
M2SisN8:Eu2+ mit M = Ca, Ba oder Sr alleine oder in
Kombination. Bevorzugt weist der Nitrid-Leuchtstoff Europium als Aktivator auf. Besonders bevorzugt konvertiert der
Nitrid-Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs. Der zweite Wellenlängenbereich liegt bevorzugt im roten Wellenlängenbereich. Bevorzugt wird von dem Nitrid-Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung im blauen Wellenlängenbereich absorbiert und in
elektromagnetische Strahlung im roten Wellenlängenbereich konvertiert .
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Granat- Leuchtstoff um einen LuAG-Leuchtstoff mit der chemischen Formel LU3AI5O12 : Ce3+, LuAGaG-Leuchtstoff mit der chemischen Formel LU3 (Al , Ga) 5O12 : Ce3+ , einen YAG-Leuchtstoff mit der chemischen Formel Y3AI5O12 : Ce3+, einen YAGaG-Leuchtstoff mit der chemischen Formel Y3 (Al , Ga) 5O12 : Ce3+ oder einen anderen Granat-Leuchtstoff der allgemeinen chemischen Formel
(Lu, Y) 3 (Al , Ga) 5O12 : Ce3+ . Besonders bevorzugt konvertiert der Granat-Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs. Der zweite Wellenlängenbereich liegt bevorzugt im grünen und/oder gelben
Wellenlängenbereich. Bevorzugt wird von dem Granat- Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung im blauen
Wellenlängenbereich absorbiert und in elektromagnetische Strahlung im grünen und/oder gelben Wellenlängenbereich konvertiert .
Handelt es sich bei dem Leuchtstoff um einen Granat- Leuchtstoff, so liegt die Aktivatorkonzentration des Granat- Leuchtstoffs in der Einzelkonversionsschicht, die am nächsten zu der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 Mol-% und einschließlich 2 Mol-%. Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die
Aktivatorkonzentration des Granat-Leuchtstoffs in der
Einzelkonversionsschicht, die am weitesten von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist, zwischen
einschließlich 1,5 Mol-% und einschließlich 5 Mol-%.
Handelt es sich bei dem Leuchtstoff um einen Nitrid- Leuchtstoff, so liegt die Aktivatorkonzentration des Nitrid- Leuchtstoffs in der Einzelkonversionsschicht, die am nächsten zu der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 Mol-% und einschließlich 8 Mol-%.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die
Aktivatorkonzentration des Nitrid-Leuchtstoffs in der
Einzelkonversionsschicht, die am weitesten von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist, zwischen
einschließlich 6 Mol-% und einschließlich 20 Mol-%.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform unterscheidet sich die Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in der
Einzelkonversionsschicht, die am weitesten von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist, von der
Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in der
Einzelkonversionsschicht, die am nächsten zu der
Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, um mindestens 0,5 Mol-%. Liegt die Aktivatorkonzentration des Granat- Leuchtstoffs in der Einzelkonversionsschicht, die am nächsten zu der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, bei 0,5 Mol- %, so ist die Aktivatorkonzentration in der
Einzelkonversionsschicht, die am weitesten von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist, bevorzugt größer, besonders bevorzugt größer als 1. Beispielsweise liegt die Aktivatorkonzentration bei ungefähr 1 Mol-%.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Konversionsschicht eine Vielzahl an Einzelkonversionsschichten auf und eine Dicke der Einzelkonversionsschichten nimmt ausgehend von der
Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips ab.
Beispielsweise weist die Konversionsschicht zwei
Einzelkonversionsschichten auf, wobei die
Einzelkonversionsschicht, die am weitesten von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist, eine geringere Dicke aufweist als die Einzelkonversionsschicht, die am nächsten zu der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist. Dünnere
Einzelkonversionsschichten führen aufgrund von kürzeren Wegen der Wärme zu einem Kühlkörper zu einer Reduzierung einer Maximaltemperatur in den Einzelkonversionsschichten, welches zu einer verlängerten Lebensdauer des optoelektronischen Halbleiterbauelements führt. Die Wärme der
Einzelkonversionsschichten wird in der Regel über den
Halbleiterchip, der als Kühlkörper dient, abgeleitet. Auf diese Art und Weise wird die Maximaltemperatur in dem
Halbleiterbauelement mit Vorteil verringert. Eine geringe Maximaltemperatur führt mit Vorteil zu einer geringeren
Degradation der Matrix.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauelement
Einzelkonversionsschichten, die einen rot emittierenden
Leuchtstoff und/oder einen grün emittierenden Leuchtstoff und/oder einen gelb emittierenden Leuchtstoff aufweisen.
Beispielsweise weisen die Einzelkonversionsschichten einen Granat-Leuchtstoff und einen Nitrid-Leuchtstoff auf.
Besonders bevorzugt wandeln die Leuchtstoffe nur einen Teil der elektromagnetischen Strahlung des Halbleiterchips um, während ein Teil der elektromagnetischen Strahlung des
Halbleiterchips unkonvertiert bleibt. Bevorzugt emittiert das Halbleiterbauelement hierbei weißes Licht.
Bevorzugt handelt es sich bei dem rot emittierenden
Leuchtstoff um einen Nitrid-Leuchtstoff, wie etwa
( Sr, Ca, Ba) AlSiN3 mit Europium als Aktivator. Insbesondere emittieren die Granat-Leuchtstoffe elektromagnetische
Strahlung aus dem grünen und gelben Wellenlängenbereich.
Bevorzugt umfasst die Konversionsschicht zwischen
einschließlich 15 Vol.-% und einschließlich 50 Vol.-% an Leuchtstoffpartikeln, besonders bevorzugt zwischen
einschließlich 20 Vol.-% und einschließlich 25 Vol.-% an Leuchtstoffpartikeln, wobei beispielsweise zwischen
einschließlich 70 Vol.-% und einschließlich 95 Vol.-% von den Leuchtstoffpartikeln Granat-Leuchtstoffe sind. Beispielsweise beträgt der Anteil der Granat-Leuchtstoffe an den
Leuchtstoffpartikeln ungefähr 85 Vol.-%.
Beispielsweise wird elektromagnetische Strahlung aus dem blauen Wellenlängenbereich des Halbleiterchips teilweise in den Leuchtstoffen zu elektromagnetischer Strahlung aus dem grünen, gelben und/oder roten Wellenlängenbereich
umgewandelt. Der grüne Wellenlängenbereich liegt
beispielsweise zwischen einschließlich 490 Nanometer und einschließlich 550 Nanometer. Der gelbe Wellenlängenbereich liegt beispielsweise zwischen einschließlich 550 Nanometer und einschließlich 590 Nanometer. Der rote
Wellenlängenbereich liegt beispielsweise zwischen
einschließlich 590 Nanometer und einschließlich 780
Nanometer. Mittels des rot emittierenden Leuchtstoffs
und/oder des grün emittierenden Leuchtstoffs und/oder des gelb emittierenden Leuchtstoffs ist es mit Vorteil möglich, aus blauer Strahlung eines Halbleiterbauelements Mischlicht mit einem Farbort im weißen Bereich zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform wandelt die Konversionsschicht des optoelektronischen Halbleiterbauelements
elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs möglichst vollständig in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs um. Hierbei sendet der
Halbleiterchip bevorzugt elektromagnetische Strahlung aus dem blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich aus. Dies erzielt eine besonders hohe Effizienz des
Halbleiterbauelements .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauelement ein optisches Element. Das optische Element ist bevorzugt auf oder über einer
Oberfläche der Konversionsschicht, die parallel zu der
Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet ist, angeordnet. Bevorzugt weist das optische Element einen
Kunststoff oder ein Glas auf oder ist aus einem Kunststoff oder einem Glas gebildet. Besonders bevorzugt weist das optische Bauelement ein Silikon auf oder ist aus einem
Silikon gebildet.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit dem Halbleiterbauelement ausgeführt sind, können auch bei dem Verfahren eingesetzt werden und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements wird zunächst ein Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische
Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs von einer
Strahlungsaustrittsfläche aussendet, bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine
Konversionsschicht aufgebracht, bevorzugt nachfolgend in Abstrahlungsrichtung über der Strahlungsaustrittsfläche. Die Konversionsschicht wird bevorzugt in direktem Kontakt auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Konversionsschicht mindestens zwei Einzelkonversionsschichten auf. Bevorzugt werden die Einzelkonversionsschichten in einer Stapelrichtung übereinander angeordnet. Beispielsweise stehen jeweils zwei Einzelkonversionsschichten in direktem Kontakt miteinander .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jede
Einzelkonversionsschicht einen Leuchtstoff auf, der
elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des zweiten
Wellenlängenbereichs umwandelt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist der
Leuchtstoff einen Aktivator auf. Besonders bevorzugt ist die Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den
Einzelkonversionsschichten voneinander verschieden. Bevorzugt weist die Einzelkonversionsschicht, die am nächsten an der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, eine niedrigere Aktivatorkonzentration auf als die Einzelkonversionsschicht, die am weitesten von der Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist . Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Einzelkonversionsschichten der Konversionsschicht
nacheinander mittels Sprühbeschichten aufgebracht. Bevorzugt wird hierbei zunächst eine Einzelkonversionsschicht mit einem Leuchtstoff einer niedrigeren Aktivatorkonzentration auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips aufgebracht.
Der Leuchtstoff ist hierbei bevorzugt als Leuchtstoffpartikel in einer Matrix eingebracht, die zunächst in flüssiger Form vorliegt. Besonders bevorzugt wird anschließend eine dünnere Einzelkonversionsschicht mit einem Leuchtstoff einer höheren Aktivatorkonzentration auf die Einzelkonversionsschicht mit einer niedrigeren Aktivatorkonzentration aufgebracht. Auch hierbei liegt der Leuchtstoff bevorzugt als
Leuchtstoffpartikel vor, die in eine flüssige Matrix
eingebracht sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens liegen die Leuchtstoffe ebenfalls als Leuchtstoffpartikel vor, die in eine Matrix eingebettet sind. Die Matrix ist hierbei zunächst bevorzugt flüssig ausgebildet. Die
Leuchtstoffpartikel werden bevorzugt in der Matrix
sedimentiert .
Bei einem Sedimentationsverfahren wird die zu beschichtende Oberfläche in der Regel in einem Volumen bereitgestellt, das mit der Matrix, die die Leuchtstoffpartikel umfasst, befüllt wird. Anschließend setzen sich die Leuchtstoffpartikel aufgrund der Schwerkraft auf der zu beschichtenden Oberfläche ab. Das Absetzen der Leuchtstoffpartikel kann hierbei auch durch Zentrifugieren beschleunigt werden. Auch die Verwendung einer verdünnten Matrix beschleunigt den
Sedimentationsprozess in der Regel. Nach dem Absinken der Leuchtstoffpartikel wird die Matrix bevorzugt ausgehärtet. Ein Kennzeichen einer Konversionsschicht und/oder einer
Einzelkonversionsschicht, die mittels eines
Sedimentationsverfahrens aufgebracht wurde, besteht darin, dass sämtliche Oberflächen, auf denen sich die
Leuchtstoffpartikel aufgrund der Schwerkraft absetzen können, mit der Konversionsschicht und/oder der
Einzelkonversionsschicht beschichtet sind. Weiterhin stehen die Leuchtstoffpartikel einer sedimentierten
Konversionsschicht und/oder einer sedimentierten
Einzelkonversionsschicht in der Regel in direktem Kontakt miteinander .
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden
Leuchtstoffpartikel bereitgestellt, die eine Vielzahl erster Leuchtstoffpartikel und eine Vielzahl zweiter
Leuchtstoffpartikel umfassen, wobei die ersten
Leuchtstoffpartikel eine höhere Aktivatorkonzentration als die zweiten Leuchtstoffpartikel aufweisen und die ersten Leuchtstoffpartikel leichter sind als die zweiten
Leuchtstoffpartikel. Besonders bevorzugt weisen die ersten Leuchtstoffpartikel und die zweiten Leuchtstoffpartikel hierbei das gleiche Wirtsgitter oder die gleiche
Kristallstruktur des Wirtsgitters und den gleichen Aktivator auf und unterscheiden sich lediglich in der
Aktivatorkonzentration .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Leuchtstoffpartikel in die Matrix eingebracht und
sedimentiert , so dass bei der Sedimentation eine
Einzelkonversionsschicht mit ersten Leuchtstoffpartikeln und eine Einzelkonversionsschicht mit zweiten
Leuchtstoffpartikeln entsteht, wobei die Einzelkonversionsschicht mit den ersten Leuchtstoffpartikeln weiter von der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips entfernt ist als die Einzelkonversionsschicht mit den zweiten Leuchtstoffpartikeln. Das heißt, dass die
Einzelkonversionsschicht, die direkt an der
Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, größere
Leuchtstoffpartikel mit einer geringeren
Aktivatorkonzentration aufweist, wohingegen die
Einzelkonversionsschicht, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist, kleinere
Leuchtstoffpartikel mit einer höheren Aktivatorkonzentration aufweist .
Eine Idee des vorliegenden Halbleiterbauelements ist es, in der Konversionsschicht mindestens zwei
Einzelkonversionsschichten vorzusehen, deren
Leuchtstoffpartikel sich lediglich hinsichtlich ihrer
Aktivatorkonzentration unterscheiden, während das Wirtsgitter oder die Kristallstruktur des Wirtsgitters und der Aktivator gleich sind. Bevorzugt ist die Aktivatorkonzentration in der Einzelkonversionsschicht, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche entfernt ist, höher. Da die
Intensität der Strahlung des Halbleiterchips mit dem Abstand von der Strahlungsaustrittfläche in der Regel kontinuierlich abnimmt, meist exponentiell, wird auf diese Art und Weise der Anteil an konvertierter Strahlung so eingestellt, dass die Gesamtkonversion eine kritische Grenze möglichst nicht überschreitet, bei der die Effizienz abnimmt. Die
Aktivatorkonzentration innerhalb der Konversionsschicht kann so hinsichtlich des Konversionsgrads und des Wärmemanagements optimiert werden. Insbesondere kann auf diese Art und Weise die Maximaltemperatur innerhalb des Halbleiterbauelements mit Vorteil verringert werden. Die verringerte Maximaltemperatur innerhalb des
Halbleiterbauelements ermöglicht mit Vorteil die Verwendung von Materialien für die Matrix, die eine geringere thermische Stabilität aufweisen wie beispielweise Silikone mit einem erhöhten Brechungsindex. Dies erhöht in der Regel den Anteil an elektromagnetischer Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs, die aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt wird, und erniedrigt die Streuung an den
Leuchtstoffpartikeln. Diese Effekte führen in der Regel mit Vorteil zu einer erhöhten Helligkeit des
Halbleiterbauelements .
Außerdem führt die verringerte Maximaltemperatur innerhalb des Halbleiterbauelements mit Vorteil zu geringeren
Löschungseffekten (Quenching-Effekten) innerhalb des
Leuchtstoffs. Auch dies erhöht die Helligkeit des
Halbleiterbauelements .
Außerdem ist es vorliegend möglich, dünnere
Konversionsschichten zu erzielen, so dass sich die gesamte Dicke des Halbleiterbauelements mit Vorteil erniedrigt.
Schließlich ist der Schwarz-Weiß-Kontrast an einer Kante der Konversionsschicht mit Vorteil in der Regel erhöht, da die laterale Verteilung der elektromagnetischen Strahlung
innerhalb der Konversionsschicht in der Regel verringert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Halbleiterbauelements und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen . Es zeigen:
Figuren 1 und 2 jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel ,
Figur 3 einen schematischen Verlauf der relativen
Strahlungsintensität von blauem Licht, das von dem
Halbleiterchip ausgesandt wird, in Abhängigkeit vom Abstand d von der Strahlungsaustrittsfläche gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2,
Figuren 4 bis 6 jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 7 bis 10 schematische Schnittdarstellungen
verschiedener Verfahrensstadien eines Verfahrens zur
Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu
betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 umfasst einen
Halbleiterchip 2 und eine Konversionsschicht 4. Der
Halbleiterchip 2 sendet im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs, vorliegend blaues Licht, von einer Strahlungsaustrittsfläche 3 aus.
Die Konversionsschicht 4 ist auf der
Strahlungsaustrittsfläche 3 angebracht. Außerdem weist das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 ein optisches
Element 14 auf, die die Abstrahlcharakteristik des
Halbleiterbauelements auf gewünschte Art und Weise einstellt.
Der Halbleiterchip 2 ist auf einer thermischen
Anschlussstelle 16 eines Anschlussträgers aufgebracht.
Seitlich ist der Halbleiterchip 2 von einem diffus
reflektierenden Verguss 17 umgeben. Beispielsweise weist der diffus reflektierende Verguss 17 ein Silikon mit
Titandioxidpartikeln auf.
Die Konversionsschicht 4 weist mindestens zwei
Einzelkonversionsschichten 5 auf. Die
Einzelkonversionsschichten 5 sind in der vergrößerten
Darstellung der Figur 2, die den in Figur 1 mit einem
Rechteck markierten Ausschnitt darstellt, zu sehen. Jede Einzelkonversionsschicht 5 weist einen Leuchtstoff auf, der elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt. Die
Aktivatorkonzentration der Leuchtstoffe in den
Einzelkonversionsschichten 5 ist voneinander verschieden, während das Wirtsgitter oder die Kristallstruktur des
Wirtsgitters und der Aktivator gleich sind.
In die Einzelkonversionsschichten 5 sind Leuchtstoffpartikel 6 in einer Matrix 10 eingebettet. Die Leuchtstoffpartikel 6 weisen einen Granat-Leuchtstoff 8 und/oder einen Nitrid- Leuchtstoff 9 auf oder sind aus diesem gebildet. Bei dem Granat-Leuchtstoff 8 kann es sich beispielsweise um eine Mischung aus einem LuAGaG-Leuchtstoff und einem YAG- Leuchtstoff handeln, während der Nitrid-Leuchtstoff 9 beispielsweise ein SCASN-Leuchtstoff sein kann. Der Granat- Leuchtstoff 8 wandelt vorliegend blaues Licht des
Halbleiterchips 2 in gelb-grüne Strahlung um, während der Nitrid-Leuchtstoff 9 blaues Licht des Halbleiterchips 2 in rote Strahlung konvertiert. Zusammen mit unkonvertierter blauer Strahlung des Halbleiterchips sendet das
Halbleiterbauelement mischfarbige weiße Strahlung aus, bevorzugt im weißen Bereich. Beispielsweise weist die
korrelierte Farbtemperatur der mischfarbigen Strahlung einen Wert von ungefähr 5000 K auf, während der Farbwiedergabeindex der mischfarbigen Strahlung beispielsweise mindestens 70 beträgt .
Eine Aktivatorkonzentration der Leuchtstoffpartikel 6 des Granat-Leuchtstoffs 8 nimmt von der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 ausgehend zu. Beispielsweise weist die Einzelkonversionsschicht 5, die näher an der
Strahlungsaustrittsfläche 3 angeordnet ist, einen Granat- Leuchtstoff 8 auf, dessen Aktivatorkonzentration kleiner ist als die Aktivatorkonzentration des Granat-Leuchtstoffs 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 positioniert ist. Die Matrix weist vorliegend ein Silikon auf.
Die Dicke dn der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt ist, lässt sich ausgehend von einer herkömmlichen Konversionsschicht, die lediglich eine einzige Einzelkonversionsschicht der Dicke 2*do aufweist, beispielsweise mit der folgenden Formel ermitteln :
VOl%-pg
dn + ( vol%pa - vol%pg) x dr
wobei vo1%pg der Volumenanteil der Granat-Leuchtstoffe 8 und vo1%pa 1 sind. Mit Co ist außerdem die Aktivatorkonzentration der Granat-Leuchtstoffe 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die näher an der Strahlungsaustrittsfläche 3 angeordnet ist, und mit cn die Aktivatorkonzentration der Granat-Leuchtstoffe 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt ist, bezeichnet.
Für die Werte do=30 Mikrometer, vol%pg=0,85, cn=2 und Co=l ergibt sich hieraus:
17,25 mth .
Figure imgf000023_0001
Die Dicke D der Konversionsschicht 4 ergibt sich hieraus ungefähr zu 30 Mikrometer + 17,25 Mikrometer = 47,3
Mikrometer. Verglichen mit einer herkömmlichen
Konversionsschicht, die eine Dicke von 60 Mikrometer
aufweist, ist die Dicke D der Konversionsschicht 4 um
ungefähr 21 % reduziert.
Bei den Granat-Leuchtstoffen 8 wird bei dem oben ausgeführten Rechenbeispiel der Absorptionsquerschnitt in der
Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt ist, ungefähr
verdoppelt. Das heißt, die Anzahl der Leuchtstoffpartikel 6 kann in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt ist, reduziert werden. Hieraus resultiert auch eine verringerte Dicke dieser
Einzelkonversionsschicht 5. Dünnere
Einzelkonversionsschichten 5 führen mit Vorteil aufgrund von kürzeren Wegen der Wärme zu dem Halbleiterchip 2, der als Kühlkörper dient, zu einer Reduzierung der Maximaltemperatur in den Einzelkonversionsschichten 5, welches zu einer
verlängerten Lebensdauer des optoelektronischen
Halbleiterbauelements 1 führt.
Figur 3 zeigt einen schematischen Verlauf der relativen
Strahlungsintensität I des blauen Lichts des Halbleiterchips
2 in % innerhalb der Konversionsschicht 4 in Abhängigkeit des Abstands d in Mikrometer von der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2. Die Intensität des blauen Lichts nimmt hierbei exponentiell ab. Die relative Intensität von 100 % bezieht sich auf die Strahlungsintensität, die von dem
Halbleiterchip 2 an der Strahlungsaustrittsfläche 3 emittiert wird .
Die Leuchtstoffpartikel 6 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt sind, spüren aufgrund der exponentiellen Abnahme der
Strahlungsintensität eine geringere Strahlungsintensität als die Leuchtstoffe, die näher an der Strahlungsaustrittsfläche
3 angeordnet sind.
Der Absorptionsquerschnitt der Granat-Leuchtstoffe 8 wird also verdoppelt und die Leuchtstoffpartikel 6 werden an einer Position relativ zur Strahlungsaustrittsfläche 3 des
Halbleiterchips 2 eingesetzt, an der die Strahlungsdichte des blauen Lichts halb so groß ist. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist eine Konversionsschicht 4 auf, die auf dem Halbleiterchip 2 angeordnet ist. Die
Konversionsschicht 4 weist zwei Einzelkonversionsschichten 5, mit Leuchtstoffpartikeln 6 eingebettet in einer Matrix 10, auf. Die Einzelkonversionsschichten 5 weisen einen rot emittierenden Leuchtstoff und/oder einen grün emittierenden Leuchtstoff und/oder einen gelb emittierenden Leuchtstoff auf. Die Leuchtstoffe sind in eine Matrix 10 eingebettet. Bei dem rot emittierenden Leuchtstoff handelt es sich um einen Nitrid-Leuchtstoff 9, wohingegen es sich bei dem grün
beziehungsweise gelb emittierenden Leuchtstoff um einen
Granat-Leuchtstoff 8 handelt. Das Halbleiterbauelement emittiert weißes Licht.
Oberhalb der Konversionsschicht 4 ist ein optisches Element 14, beispielsweise eine Linse, angeordnet. Beispielsweise kann durch eine Erhöhung der Aktivatorkonzentration der
Granat-Leuchtstoffe 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt ist, die Dicke der Einzelkonversionsschicht 5 wesentlich verringert werden .
Das optoelektronische Halbleiterbauelement gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 5 unterscheidet sich von dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in den
Leuchtstoffpartikeln 6. Es sind hier nur Granat-Leuchtstoffe 8 in der Konversionsschicht 4 eingebettet. Hierbei handelt es sich vorliegend um Granat-Leuchtstoffe, die blaue Strahlung in grün-gelbe Strahlung umwandeln. Die
Einzelkonversionsschichten 5 weisen vorliegend also lediglich zwei verschiedene Leuchtstoffe auf. Hierbei wird die
elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, also das blaue Licht des Halbleiterchips 2, möglichst
vollständig von dem Leuchtstoff in elektromagnetische
Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs, also grün-gelbes Licht, umgewandelt. Zur vollständigen Umwandlung der
elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs einer Vollkonversion wird eine vergleichsweise große Dicke D der Konversionsschicht 4 benötigt, um die von dem
Halbleiterchip 2 emittierte elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs möglichst vollständig zu
absorbieren. Die Konversionsschicht 4 wird in zwei oder mehrere Einzelkonversionsschichten 5, die übereinander angeordnet sind, aufgeteilt. Durch eine höhere
Aktivatorkonzentration der Leuchtstoffpartikel 6 in der
Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt ist, kann deren Dicke reduziert werden. Aufgrund der geringeren
Strahlungsintensität in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt ist, können thermische und optische Löschungseffekte (thermisches und optisches Quenching) in individuellen
Leuchtstoffpartikeln 6 verringert werden. Die
Einzelkonversionsschichten 5 können beispielsweise mittels Sprühbeschichten aufgebracht sein.
Die Dicke D einer herkömmlichen Konversionsschicht beträgt beispielsweise ungefähr 120 Mikrometer. Das blaue Licht des Halbleiterchips 2 wird vorliegend mindestens zu 98 % von der Konversionsschicht 4 konvertiert.
Weist die Dicke D der herkömmlichen Konversionsschicht 120 Mikrometer auf, so kann die Einzelkonversionsschicht 5, die näher an der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 angeordnet ist, eine Dicke von ungefähr 21 Mikrometer und einen einfachen Absorptionsquerschnitt aufweisen. Verdoppelt sich nun der Absorptionsquerschnitt der Granat-Leuchtstoffe in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist, so halbiert sich ungefähr die Dicke der
Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist. Für die Dicke D der Konversionsschicht 4 folgt hieraus 21 Mikrometer + ca. (99/2) Mikrometer = ca. 70 Mikrometer. Die Dicke D der Konversionsschicht 4 kann somit durch
Verdoppelung des Absorptionsquerschnitts der Granat- Leuchtstoffe 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt angeordnet ist, um ungefähr 50 Mikrometer gegenüber der Dicke einer
herkömmlichen Konversionsschicht verringert werden.
Weist die Dicke D der herkömmlichen Konversionsschicht 120 Mikrometer auf, so kann die Einzelkonversionsschicht 5, die näher an der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 angeordnet ist, eine Dicke von ungefähr 33 Mikrometer und einen einfachen Absorptionsquerschnitt aufweisen.
Verdreifacht sich nun der Absorptionsquerschnitt der Granat- Leuchtstoffe 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist, so verringert sich die Dicke der
Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist, ungefähr um 2/3. Für die Dicke D der Konversionsschicht 4 folgt hieraus 33 Mikrometer + (87/2) Mikrometer = 62
Mikrometer. Die Dicke D der Konversionsschicht 4 kann somit durch Verdreifachung des Absorptionsquerschnitts der Granat- Leuchtstoffe 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 entfernt angeordnet ist, ungefähr halbiert werden.
Weist die Dicke D der herkömmlichen Konversionsschicht 120 Mikrometer auf, so kann die Einzelkonversionsschicht 5, die näher an der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 angeordnet ist, eine Dicke von ungefähr 41 Mikrometer und einen einfachen Absorptionsquerschnitt aufweisen.
Vervierfacht sich nun der Absorptionsquerschnitt der Granat- Leuchtstoffe 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist, so verringert sich die Dicke der
Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist, ungefähr um 3/4. Für die Dicke D der Konversionsschicht
4 folgt hieraus 41 Mikrometer + (79/4) Mikrometer = 61
Mikrometer. Dieser Wert der Dicke D der Konversionsschicht 4 ist somit nur unwesentlich kleiner als der Wert der Dicke D einer Konversionsschicht 4, bei der der
Absorptionsquerschnitt der Granat-Leuchtstoffe 8 in der
Einzelkonversionsschicht 5, die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist, verdreifacht wurde. Daher ist dieser Wert vermutlich eine Untergrenze für die Dicke D der Konversionsschicht 4, die mit dem vorliegenden Konzept erzielt werden kann.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 6 unterscheidet sich von dem in der Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel in der Anzahl der Einzelkonversionsschichten 5. Es werden anstatt zwei Einzelkonversionsschichten 5 drei Einzelkonversionsschichten
5 verwendet. Vorliegend werden Granat-Leuchtstoffe 8 mit drei verschiedenen Aktivatorkonzentrationen und damit auch mit drei verschiedenen Absorptionsquerschnitten eingesetzt. Es wird eine Vollkonversion der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, vorliegend blaues Licht, angestrebt .
Beispielsweise weist die Einzelkonversionsschicht 5, die am nächsten an der Strahlungsaustrittsfläche 3 des
Halbleiterchips 2 angeordnet ist, eine Aktivatorkonzentration Co=l und eine Dicke von ungefähr 21 Mikrometer auf. In der in Abstrahlrichtung des Halbleiterchips 2 nachfolgenden
Einzelkonversionsschicht 5 ist der Absorptionsquerschnitt der Granat-Leuchtstoff 8 verdoppelt, so dass sich die Dicke dieser Einzelkonversionsschicht 5 auf 10 Mikrometer
reduziert. Schließlich weist die Konversionsschicht 4 eine Einzelkonversionsschicht 5 auf, die wiederum nachfolgend in Abstrahlrichtung des Halbleiterchips 2 angeordnet ist und am weitesten von der Strahlungsaustrittsfläche 3 des
Halbleiterchips 2 entfernt positioniert ist. Diese
Einzelkonversionsschicht 5 weist vorliegend einen Granat- Leuchtstoff 8 auf, dessen Absorptionsquerschnitt gegenüber dem Absorptionsquerschnitt des Granat-Leuchtstoffs 8 in der Einzelkonversionsschicht 5, die am nächsten an der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 angeordnet ist, vervierfacht ist. Diese Einzelkonversionsschicht 5 weist eine Dicke von ungefähr 20 Mikrometer auf. Die Dicke D der Konversionsschicht 4 ergibt sich somit zu 51 Mikrometer ausgehend von einer herkömmlichen Konversionsschicht 4 mit einer Dicke von ungefähr 120 Mikrometer. Die Dicke D der Konversionsschicht 4 ist also deutlich kleiner als die Dicke einer herkömmlichen Konversionsschicht 4. Das führt mit
Vorteil zu einer Verringerung von Streuung und zu einer
Reduzierung der Maximaltemperatur in der Konversionsschicht 4. Eine weitere Reduzierung der Dicke D der Konversionsschicht 4 kann erreicht werden, indem drei ähnlich dicke
Einzelkonversionsschichten 5 verwendet werden. Beispielsweise weist die Einzelkonversionsschicht 5, die am nächsten an der Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 angeordnet ist, eine Dicke von 18 Mikrometern und Granat-Leuchtstoffe 8 mit einer Aktivatorkonzentration co=l auf. Die in
Abstrahlrichtung direkt nachfolgend angeordnete
Einzelkonversionsschicht 5 weist hingegen eine Dicke von ungefähr 14 Mikrometer und Granat-Leuchtstoffe 8 mit einem 1,8-fachen Absorptionsquerschnitt auf, die wiederum in
Abstrahlrichtung nachfolgend angeordnet ist. Die
Einzelkonversionsschicht 5 weist eine Dicke von ungefähr 14,5 Mikrometer und Granat-Leuchtstoffe 8 mit einem fünffachen Absorptionsquerschnitt auf. Die Dicke D der
Konversionsschicht 4 ergibt sich hieraus zu ungefähr 46,5 Mikrometer und ist damit um ungefähr 61 % dünner ausgebildet verglichen mit der Dicke einer herkömmlichen
Konversionsschicht 4 von ungefähr 120 Mikrometern.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7 bis 10 wird in einem ersten Schritt eine Ausnehmung 24 bereitgestellt (Figur 7).
In einem nächsten Schritt wird der Halbleiterchip 2, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet, in die Ausnehmung 24 eingebracht (Figur 8) .
Wie in Figur 9 gezeigt, wird dann eine Matrix 10 mit
Leuchtstoffpartikeln 6 in die Ausnehmung 24 eingebracht. Die Matrix liegt hierbei in flüssiger Form vor. Die Leuchtstoffpartikel 6 umfassen eine Vielzahl erster
Leuchtstoffpartikel 22 und eine Vielzahl zweiter
Leuchtstoffpartikel 23, wobei die ersten Leuchtstoffpartikel 22 eine höhere Aktivatorkonzentration als die zweiten
Leuchtstoffpartikel 23 aufweisen und die ersten
Leuchtstoffpartikel 22 leichter sind als die zweiten
Leuchtstoffpartikel 23. Das Wirtsgitter oder zumindest dessen Kristallstruktur und der Aktivator sind hierbei gleich.
In einem nächsten Schritt werden die Leuchtstoffpartikel 6 in der Matrix 10 sedimentiert (Figur 10) . Bei der Sedimentation entsteht eine Einzelkonversionsschicht 5 mit ersten
Leuchtstoffpartikeln 22 und eine Einzelkonversionsschicht 5 mit zweiten Leuchtstoffpartikeln 23, wobei die
Einzelkonversionsschicht 5 mit den ersten
Leuchtstoffpartikeln 22 weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterchips 2 entfernt ist als die Einzelkonversionsschicht 5 mit den zweiten
Leuchtstoffpartikeln 23. Hierbei wird in der Regel keine vollständige Trennung der ersten Leuchtstoffpartikel 22 und der zweiten Leuchtstoffpartikeln 23 in zwei verschiedene Einzelkonversionsschichten 5 erzielt. Dann wird die Matrix 10 ausgehärtet. Die Einzelkonversionsschichten 5 bilden die Konversionsschicht 4 aus.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 120584.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 Optoelektronisches Halbleiterbauelement
2 Halbleiterchip
3 Strahlungsaustrittsfläche
4 KonversionsSchicht
5 EinzelkonversionsSchicht
6 Leuchtstoffpartikel
8 Granat-Leuchtstoff
9 Nitrid-Leuchtstoff
10 Matrix
14 optisches Element
16 thermische Anschlussstelle
17 Verguss
D Dicke der Konversionsschicht
22 erste Leuchtstoffpartikel
23 zweite Leuchtstoffpartikel
24 Ausnehmung

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) mit:
- einem Halbleiterchip (2), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer
Strahlungsaustrittsfläche (3) aussendet,
- einer Konversionsschicht (4), die mindestens zwei
Einzelkonversionsschichten (5) umfasst, wobei
- jede Einzelkonversionsschicht (5) einen Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in
elektromagnetische Strahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs umwandelt, und
- eine Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den
Einzelkonversionsschichten (5) voneinander verschieden ist,
- die Leuchtstoffe als Leuchtstoffpartikel (6) eingebracht sind, die eine Vielzahl erster Leuchtstoffpartikel (22) und eine Vielzahl zweiter Leuchtstoffpartikel (23) umfassen, wobei die ersten Leuchtstoffpartikel (22) eine höhere
Aktivatorkonzentration als die zweiten Leuchtstoffpartikel (23) aufweisen und die ersten Leuchtstoffpartikel (22) leichter sind als die zweiten Leuchtstoffpartikel (23) , und
- die Einzelkonversionsschicht (5) mit den ersten
Leuchtstoffpartikeln (22) weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche (3) des Halbleiterchips (2) entfernt ist als die Einzelkonversionsschicht (5) mit den zweiten Leuchtstoffpartikeln (23) .
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem der Leuchtstoff ein Wirtsgitter aufweist, in das ein Aktivator eingebracht ist, wobei das Wirtsgitter und/oder die Kristallstruktur des Wirtsgitters und der Aktivator des Leuchtstoffs in den Einzelkonversionsschichten (5) gleich sind .
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
- die Konversionsschicht (4) auf der
Strahlungsaustrittsfläche (3) aufgebracht ist, und
- die Einzelkonversionsschicht (5) , die näher an der
Strahlungsaustrittsfläche (3) angeordnet ist, einen
Leuchtstoff aufweist, dessen Aktivatorkonzentration kleiner ist als die Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in der Einzelkonversionsschicht (5) , die weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche (3) entfernt ist.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die Konversionsschicht (4) eine Vielzahl an
Einzelkonversionsschichten (5) aufweist und die
Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den
Einzelkonversionsschichten (5) von der
Strahlungsaustrittsfläche (3) des Halbleiterchips (2) ausgehend zunimmt.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
- der Leuchtstoff als eine Vielzahl an Leuchtstoffpartikeln (6) ausgebildet ist, und
- die Leuchtstoffpartikel (6) in eine Matrix (10) eingebettet sind .
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Leuchtstoffpartikel (6) einen Granat-Leuchtstoff (8) und/oder einen Nitrid-Leuchtstoff (9) aufweisen oder aus diesem gebildet sind.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die Konzentration der Leuchtstoffpartikel (6) in der Matrix (10) zwischen einschließlich 15 Vol.-% und
einschließlich 50 Vol.-% liegt.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
- der Leuchtstoff ein Granat-Leuchtstoff (8) ist,
- die Aktivatorkonzentration des Granat-Leuchtstoffs (8) in der Einzelkonversionsschicht (5) , die am nächsten zu der Strahlungsaustrittsfläche (3) angeordnet ist, zwischen einschließlich 0,5 Mol-% und einschließlich 2 Mol-% liegt, und
- die Aktivatorkonzentration des Granat-Leuchtstoffs (8) in der Einzelkonversionsschicht (5) , die am weitesten von der Strahlungsaustrittsfläche (3) entfernt ist, zwischen
einschließlich 1,5 Mol-% und einschließlich 5 Mol-% liegt.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
- der Leuchtstoff ein Nitrid-Leuchtstoff (9) ist,
- die Aktivatorkonzentration des Nitrid-Leuchtstoffs (9) in der Einzelkonversionsschicht (5) , die am nächsten von der Strahlungsaustrittsfläche (3) entfernt ist, zwischen
einschließlich 0,5 Mol-% und einschließlich 8 Mol-% liegt, und
- die Aktivatorkonzentration des Nitrid-Leuchtstoffs (9) in der Einzelkonversionsschicht (5) , die am weitesten von der Strahlungsaustrittsfläche (3) entfernt ist, zwischen
einschließlich 6 Mol-% und einschließlich 20 Mol-% liegt.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem sich die Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in der Einzelkonversionsschicht (5) , die am weitesten von der Strahlungsaustrittsfläche (3) entfernt ist, zu der
Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in der
Einzelkonversionsschicht (5) , die am nächsten zu der
Strahlungsaustrittsfläche (3) angeordnet ist, mindestens um 0,5 Mol-% unterscheiden.
11. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die Konversionsschicht (4) eine Vielzahl an
Einzelkonversionsschichten (5) aufweist und eine Dicke der Einzelkonversionsschichten (5) von der
Strahlungsaustrittsfläche (3) des Halbleiterchips (2) ausgehend abnimmt.
12. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
- die Einzelkonversionsschichten (5) einen rot emittierenden Leuchtstoff und/oder einen grün emittierenden Leuchtstoff und/oder einen gelb emittierenden Leuchtstoff aufweisen, und
- das Halbleiterbauelement weißes Licht emittiert.
13. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem die Konversionsschicht (4) die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs möglichst vollständig in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt.
14. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterbauelements (1) mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Halbleiterchips (2), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (3) aussendet,
- Aufbringen einer Konversionsschicht (4), aufweisend eine flüssige Matrix und Leuchtstoffpartikel (6), auf die
Strahlungsaustrittsfläche (3) des Halbleiterchips (2), wobei auf der Strahlungsaustrittsfläche (3) mindestens zwei
Einzelkonversionsschichten (5) gebildet werden, wobei
- jede Einzelkonversionsschicht (5) einen Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in
elektromagnetische Strahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs umwandelt, und
- eine Aktivatorkonzentration des Leuchtstoffs in den
Einzelkonversionsschichten (5) voneinander verschieden ist.
15. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die Einzelkonversionsschichten (5) nacheinander mittels Sprühbeschichten aufgebracht werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem
- der Leuchtstoff als Leuchtstoffpartikel (6) vorliegt, die in eine Matrix (10) eingebettet sind, und
- die Leuchtstoffpartikel (6) in der Matrix sedimentiert werden .
17. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem - Leuchtstoffpartikel (6) bereitgestellt werden, die eine Vielzahl erster Leuchtstoffpartikel (22) und eine Vielzahl zweiter Leuchtstoffpartikel (23) umfassen, wobei die ersten Leuchtstoffpartikel (22) eine höhere Aktivatorkonzentration als die zweiten Leuchtstoffpartikel (23) aufweisen und die ersten Leuchtstoffpartikel (22) leichter sind als die zweiten Leuchtstoffpartikel (23) ,
- die Leuchtstoffpartikel (6) in die Matrix (10) eingebracht und sedimentiert werden, so dass bei der Sedimentation eine Einzelkonversionsschicht (5) mit ersten Leuchtstoffpartikeln
(6) und eine Einzelkonversionsschicht (5) mit zweiten
Leuchtstoffpartikeln (23) entsteht, wobei die
Einzelkonversionsschicht (5) mit den ersten
Leuchtstoffpartikeln (22) weiter von der
Strahlungsaustrittsfläche (3) des Halbleiterchips (2) entfernt ist als die Einzelkonversionsschicht (5) mit den zweiten Leuchtstoffpartikeln (23) .
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