WO2020127029A1 - Optoelektronisches halbleiterbauteil - Google Patents

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WO2020127029A1
WO2020127029A1 PCT/EP2019/085324 EP2019085324W WO2020127029A1 WO 2020127029 A1 WO2020127029 A1 WO 2020127029A1 EP 2019085324 W EP2019085324 W EP 2019085324W WO 2020127029 A1 WO2020127029 A1 WO 2020127029A1
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semiconductor component
layer sequence
semiconductor layer
optoelectronic semiconductor
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PCT/EP2019/085324
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English (en)
French (fr)
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Michael VÖLKL
Siegfried Hermann
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Definitions

  • An optoelectronic semiconductor component is specified.
  • One problem to be solved is to specify an optoelectronic semiconductor component that emits light at a high level
  • this comprises
  • Semiconductor component one or more emitter units.
  • the at least one emitter unit is set up to one during operation of the optoelectronic semiconductor component
  • near ultraviolet can also be emitted by at least one emitter unit
  • Radiation and / or near infrared radiation are generated.
  • Emitter unit a semiconductor layer sequence.
  • Semiconductor layer sequence has two each other
  • the main sides are preferably the largest sides of the semiconductor layer sequence.
  • the main pages are perpendicular to one
  • the semiconductor layer sequence comprises a plurality of side surfaces.
  • the side surfaces preferably run parallel or
  • Semiconductor layer sequence one or more active zones.
  • the at least one active zone is set up to generate radiation.
  • the active zone contains at least one pn junction, a single quantum well structure or one
  • Radiation is generated in the active zone via charge carrier recombination and thus via electroluminescence.
  • the active zone is preferably located between an n-type region and a p-type region of the semiconductor layer sequence.
  • the radiation generated is preferably incoherent
  • the emitter unit is thus in particular a light-emitting diode chip and / or one
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride
  • Phosphide compound semiconductor material such as
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ nm Ga m As or like Al n Ga m In ] __ nm AspP ] __p, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 and 0 ⁇ k ⁇ 1.
  • Semiconductor layer sequence have dopants and additional components.
  • the essential components of the crystal lattice of the semiconductor layer sequence that is to say Al, As, Ga, In, N or P, are given, even if these can be replaced and / or supplemented in part by small amounts of further substances.
  • Emitter unit electrical contact surfaces preferably exactly two electrical contact surfaces.
  • this comprises
  • the reflector can be an integral part of the at least one emitter unit.
  • the reflector covers the main pages and all
  • the arranged side surfaces can also be completely covered by the reflector.
  • the reflector is set up to reflect the radiation generated during operation.
  • Reflectance of the reflector for this radiation is preferably at least 80% or 90% or 96% or 98%.
  • the reflector can be designed in one piece. However, the reflector is preferably in several pieces and composed of several components.
  • this includes
  • optoelectronic semiconductor component at least one
  • Emitter unit and at least one reflector.
  • Emitter unit has a semiconductor layer sequence, the two opposite main sides, several
  • the emitter unit Includes side surfaces and an active zone for generating radiation.
  • the emitter unit contains electrical
  • the reflector covers at least 90% of the main sides and all side surfaces apart from a single side surface set up for radiation emission.
  • High luminance levels are necessary. High luminance levels can be achieved with the semiconductor component described here, the semiconductor component having small geometric dimensions.
  • Semiconductor layer sequence can be designed as a light guide in order to direct light generated far away from the coupling-out side of the semiconductor layer sequence to the coupling-out surface
  • the coupling-out area is preferably very small in order to achieve high luminance levels.
  • Metallic mirroring of a growth top and a growth bottom can be used as a full-area p-contact area and as an n-contact area.
  • a high light coupling efficiency can be achieved by means of a suitable geometry of the semiconductor layer sequence.
  • a pixelated imaging system can be set up in which each emitter unit can be controlled separately. This enables high-resolution images with high luminance to be achieved. It is possible that geometric
  • Outcoupling structures are present on the outcoupling side.
  • a combination with optical systems and converters, i.e. phosphors, on the coupling-out side is possible in particular along an emission direction. They are different
  • the semiconductor component has a radiation density increased by a factor of 6 compared to a conventional semiconductor component of the same size
  • Radiation emission configured decoupling side.
  • Arrays can be built with the emitter units, the
  • the emitter units can also be electrically connected in parallel by placing the contact areas next to one another. Are there Combinations possible.
  • Such arrays can replace conventional LED chips and are for headlights,
  • An emission in the visible spectral range can take place, for example blue, green and / or red light or also white light can be emitted or an emission takes place in the
  • the emitter units and the semiconductor component can be used in mini projectors and near-to-eye applications.
  • Fibers or light guides are Fibers or light guides.
  • a power loss in the electro-optical conversion can be any power loss in the electro-optical conversion.
  • the contact surfaces are preferably part of the reflector.
  • Contact areas at least one metallic layer each.
  • the contact areas have a further layer, in particular a layer made of a transparent conductive Oxide, or TCO for short, like ITO or like zinc oxide.
  • a transparent conductive Oxide or TCO for short, like ITO or like zinc oxide.
  • TCO contact layer is preferably located between the
  • Contact surfaces are preferably a continuous, gapless and coherent layer.
  • the metallic layer or the TCO layer can be structured.
  • a dielectric mirror or a combination mirror with metallic and with dielectric components can be located between, for example, island-shaped regions of the metallic layer or the TCO layer.
  • a maximum distance of the reflector from the semiconductor layer sequence is at most 10 gm or 5 gm or 2 pm or 1 pm.
  • the reflector is located in places or over the entire area directly on the semiconductor layer sequence. For example, there is only one passivation layer in places between the semiconductor layer sequence and the reflector.
  • Radiation emission set up side surface predominantly or completely free of the reflector.
  • this side surface is covered by at most 5% or 10% or 20% or not at all by the reflector.
  • Total thickness of the emitter units essentially by the Semiconductor layer sequence determined.
  • a thickness, in particular of the contact areas and of the reflector, is preferably smaller than the thickness of the semiconductor layer sequence.
  • a thickness of the contact areas is at most 10% or 20% or 40% of the thickness of the n-type region or the n-type regions of the semiconductor layer sequence.
  • Such roughening can achieve increased light output efficiency.
  • Such roughening is preferably exclusively due to the
  • this comprises
  • Semiconductor device a variety of emitter units. A common one is preferred by the emitter units
  • the emission surface can be a flat, planar surface.
  • Each of the emitter units can have its own reflector. Alternatively, there is a common reflector for all emitter units or each for a group of emitter units.
  • the contact surfaces preferably each form part of the reflector between two adjacent emitter units. Alternatively, the contact areas are not part of the reflector and do not reflect or do not reflect significantly, for example in the case of TCO contact areas with a refractive index that is similar to the refractive index of the semiconductor layer sequence. If the emitter units each comprise several active zones, there can be between adjacent active zones
  • the emitter units preferably each comprise only exactly one active zone.
  • Side surfaces set up for radiation emission can all be arranged along a particularly straight line.
  • the side surfaces set up for radiation emission are preferably in a regular,
  • neighboring ones are
  • Emitter units are arranged one after the other on their main surfaces, in particular arranged directly stacked one on top of the other. Alternatively or additionally, an arrangement of adjacent emitter units over side surfaces,
  • a very thin semiconductor component can be produced which is suitable, for example, for display backlighting or for coupling into optical fibers or light guide plates.
  • At least some of the emitter units are directly mechanically and electrically connected to one another via their contact surfaces.
  • the emitter units in question are soldered to one another or glued in an electrically conductive manner, so that themselves between the contact surfaces in a row
  • Emitter units is only a connecting means.
  • Emitter units or groups of emitter units can be controlled electrically independently of one another. There are preferably emitter units emitting different colors.
  • Emitter units green light emitting units and blue light emitting units. It is possible that pixels are built up by the emitter units, so that the semiconductor component can be a display device.
  • the number of emitter units of the semiconductor component is at least 100 or 300 or 1000. Alternatively or additionally, the number of emitter units is at most 100,000 or 30,000 or 10,000. It is thus possible for the semiconductor component to have relatively few emitter units in comparison to a display, which usually have a high resolution with millions of pixels.
  • a thickness of the semiconductor layer sequence is included between the main sides
  • this thickness is at most 12 pm or 6 pm or 4 pm.
  • Semiconductor layer sequence in the direction transverse or parallel to the side surface, which is set up for radiation emission, has a width of at least 30 gm or 50 gm or 100 gm. Alternatively or additionally, this width is at most 1 mm or 0.5 mm or 250 gm.
  • the width of the semiconductor layer sequence is greater than the length of the
  • the width exceeds the length by at least a factor of 1.5 or 3 or 10, or vice versa.
  • the reflector comprises or consists of one or more metal layers. If there are several metal layers of the reflector, these metal layers can be next to each other and therefore not
  • the reflector is a metallic reflector.
  • the reflector comprises at least one totally reflecting layer.
  • Semiconductor layer sequence preferably has a relatively low refractive index for the radiation generated during operation.
  • a totally reflective layer is made of an oxide such as silicon dioxide or a nitride such as Aluminum nitride.
  • the reflector can comprise several such layers, which can be arranged next to one another or stacked one above the other.
  • the reflector is at least partially a Bragg reflector.
  • the reflector then has a plurality of radiation-transmissive layers with alternating high and low refractive indices.
  • a reflective metal layer can be located on a side of the Bragg reflector facing away from the semiconductor layer sequence, so that the Bragg reflector consists of fewer
  • specular reflecting reflectors such as
  • Metal reflectors or Bragg reflectors can also be used with diffusely reflecting reflectors.
  • the reflector is then formed by a transparent matrix material in which particles with a different refractive index are embedded.
  • the reflector in this case is made of a silicone that contains titanium dioxide particles
  • the reflector can appear white.
  • Different types of reflectors can be present on different sides of the semiconductor layer sequence.
  • arranged side surfaces can be formed by a Bragg mirror or by a diffusely reflective layer or alternatively by a combination mirror, for example with the metal layer and with a totally reflective
  • the reflector has at least one side part, which is located on the side surfaces of the
  • Semiconductor layer sequence is located. That at least one
  • the side part is preferably made of an electrically conductive material and can be formed by the metal layer or by part of the metal layer.
  • the at least one side part is electrically separated from the contact surfaces.
  • the at least one side part is electrically connected to one of the contact surfaces, in particular is connected in an ohmic conductive manner.
  • the side part is, for example, part of the contact area at the n-type region of the semiconductor layer sequence or part of the contact area at the p-type area of the
  • one of the contact areas can extend to the side areas of the semiconductor layer sequence which are not provided for radiation emission.
  • Insulation layer especially only an electrical one
  • This electrical insulation layer can form part of the reflector, in particular a layer of a Bragg mirror or the totally reflecting layer of a combination mirror.
  • the semiconductor component comprises one or more phosphors.
  • the at least one phosphor is attached at least or only on or above the side surface set up for radiation emission. This means that the phosphor can be located directly on this side surface.
  • the phosphor is
  • the phosphor can be a ceramic such as a sintered ceramic.
  • a totally reflecting, wave-guiding structure can be similar to a two-dimensional one
  • Optical fibers are formed.
  • Semiconductor layer sequence in the direction towards the side surface which is set up for radiation emission This applies to a top view of one of the main pages and / or a cross section through the main pages. That is to say, seen in a top view of the main sides, the semiconductor layer sequence can narrow towards the radiation-emitting side.
  • a lighting system is also specified.
  • Lighting system includes one or more of the
  • Imaging unit in particular a movable mirror.
  • Optics such as a converging lens are preferably located between the semiconductor component and the mirror.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a
  • Figure 5 is a schematic perspective view of a
  • Figure 6 is a tabular overview of
  • Figures 7 to 11 are schematic plan views of a
  • FIGS. 12 to 14 show schematic sectional representations of exemplary embodiments of optoelectronic semiconductor components described here,
  • Figures 15 and 16 are schematic plan views
  • Figure 17 is a schematic plan view of a
  • Figure 18 is a schematic sectional view of a
  • Figure 19 is a schematic perspective view of a
  • Figures 20 and 21 are schematic sectional views of
  • FIG. 22 shows a schematic sectional illustration and FIG. 23 shows a schematic top view of FIG
  • Figure 24 is a schematic plan view and Figure 25 is a
  • Figure 26 is a schematic perspective view of a
  • Embodiment of a lighting system with an optoelectronic semiconductor component described here Embodiment of a lighting system with an optoelectronic semiconductor component described here.
  • Figure 1 is an embodiment of a
  • the semiconductor component 10 is formed by a single emitter unit 1.
  • the emitter unit 1 comprises a semiconductor layer sequence 2.
  • the semiconductor layer sequence 2 contains an active zone 22, which is located between an n-type region 21 and a p-type region 23. The is preferably based
  • the layers 21, 23 can each be appropriately doped GaN layers.
  • the emitter unit 1 comprises electrical ones
  • a first electrical contact surface 31 is located on the n-type region 21, a second electrical contact surface 32 is attached on the p-type region 23.
  • the contact areas 31, 32 are preferably metallic layers or metallic layer stacks. The contact areas 31, 32 are thus located on main sides 24, 25 of the semiconductor layer sequence 2, preferably directly on the main sides 24, 25.
  • the contact surfaces 31, 32 represent parts of a reflector 4 for radiation generated during operation. It also extends the reflector 4 on three side surfaces 26 and covers these side surfaces 26 completely or almost completely.
  • the cuboidal semiconductor layer sequence 2 is thus surrounded on five of six side surfaces 26 by the reflector 4, so that no radiation or no significant radiation component from the radiation is generated on these side surfaces 26 during operation
  • a single side surface 27 is designed as an emission surface 11 of the emitter unit 1. During operation, radiation emerges from the semiconductor layer sequence 2 only on this side surface 27.
  • This side surface 27 can be a smallest side surface of the semiconductor layer sequence 2.
  • a total thickness of the emitter unit 1 is approximately equal to a thickness T of the semiconductor layer sequence 2.
  • the thickness T is, for example, between 2 pm and 5 pm inclusive.
  • a thickness of the contact surfaces 31, 32 and / or of the reflector 4 is preferably below 1 pm, in particular below 0.5 pm.
  • the emitter unit 1 thus has a size similar to that of a strapless LED chip
  • the light box defined by the reflector 4 thus also has approximately the same size as that
  • Semiconductor layer sequence 2 Such an arrangement, which is limited to the size of the semiconductor layer sequence 2, is also referred to as a chip-scale lightbox.
  • a length L of the semiconductor layer sequence 2 and thus of the emitter unit 1 is, for example, between 30 pm and 100 pm inclusive.
  • a width W of the semiconductor layer sequence 2 is, for example, at least 40 ⁇ m and / or at most 400 mpi. Corresponding values can be used for all others
  • Figure 2 is a sectional view of a
  • Semiconductor component 10 illustrates that from exactly one
  • Emitter unit 1 is formed.
  • the semiconductor component 10 of FIG. 2 is essentially constructed like that
  • Example blue light R takes place exclusively on the side surface 27 which forms the emission surface 11.
  • the semiconductor device 10 thus has a small size
  • the comparatively long semiconductor layer sequence 2 acts in the direction towards the emission surface 11 as a light guide. Thus, light that is generated far away from the emission surface 11 in the active zone 22 can still be efficiently emitted from the
  • a modification 9 is shown in FIG. In the
  • Modification 9 is a conventional one
  • Light-emitting diode chip in which the semiconductor layer sequence 2 is located on a carrier 6.
  • the light R generated during operation is emitted primarily on a main side 24, the
  • the light emission occurs over a relatively large area, so that only comparatively low luminance levels can be achieved.
  • the emitter units 1 are stacked one on top of the other.
  • the individual emitter units 1 are connected to one another via adjacent contact surfaces 31, 32 are attached to one another by means of soldering, for example.
  • Adjacent semiconductor layer sequences 2 of the emitter units 1 are separated from one another by the respectively associated contact areas 31, 32 and a connection means, not shown, such as a solder.
  • the individual emitter units 1 are electrically in series via the contact surfaces 31, 32
  • Contact surfaces 35 are set up for external electrical contacting of the semiconductor component 10. This extreme
  • Contact surfaces 31, 32 are, for example, thicker and / or have additional metal layers compared to the inner contact surfaces 31, 32.
  • the side surfaces 26, which are not set up to emit light, are preferably continuous from the
  • Emitter units 1 which are set up for radiation emission, together form the emission surface 11.
  • the emission surface 11 and thus all side surfaces 27 on which radiation is emitted preferably lie in one plane.
  • the emitter units 1 are arranged linearly. In contrast, a two-dimensional one takes place in FIG
  • the stacking direction of the emitter units 1 can be
  • Emitter units 1 can be electrically connected in series and form columns. Towards parallel to the external
  • the emitter units can be electrically connected in parallel to contact surfaces 35. It can be combined
  • the reflector 4 is located in each case between adjacent series circuits of the emitter units 1 and on outer side surfaces that are not covered by the external contact surfaces 35. In addition, the reflector 4 in turn comprises those lying between adjacent emitter units 1
  • the reflector 4 extends
  • Side parts 44 of the reflector 4 are, for example, metallic or made of a diffusely reflective material, such as a silicon dioxide-filled silicone.
  • the emitter units 1 are preferably mounted on a carrier 6.
  • the carrier 6 is preferably a heat sink of the semiconductor component 10.
  • the carrier 6 can comprise cooling fins (not shown) for air cooling.
  • the carrier 6 it is possible for the carrier 6 to have channels (not shown) for liquid cooling.
  • the emitter units 1 are all identical in construction. In a departure from the illustration in FIG. 5, differently constructed emitter units can also be used for the
  • Semiconductor component 10 are summarized. For example, red emitting, green emitting and blue
  • RGB pixels are present so that RGB pixels can result.
  • RGB pixels or the emitter units 1 as a whole can be any RGB pixels or the emitter units 1 as a whole.
  • Wiring levels can be integrated in the carrier 6.
  • the carrier 6 may also include control electronics 62.
  • the carrier 6 can thus be an IC chip.
  • Carrier 6 with the optional control electronics 62 are also located on side surfaces of the field with the emitter units 1. The same applies to all other exemplary embodiments.
  • a number N of the emitter units 1, the width W of the associated semiconductor layer sequence and thus the associated emitter units, the thickness T, a base area B of the corresponding semiconductor component 10, the length L and an extraction efficiency E and a relative luminance Z on the emission area 11 are given in each case .
  • the semiconductor component 10 can thus comprise a comparatively large number of emitter units 1.
  • Luminance Z can be achieved. Particularly in applications in which the semiconductor components 10 have optical elements
  • the higher relative luminance Z can compensate for a possibly lower extraction efficiency E, since a given emission brightness results in a smaller emission area 11 and optical imaging can be designed more efficiently.
  • the contact surfaces 31, 32 each have one
  • the layer 34 of a transparent conductive oxide.
  • the layer 34 has a smaller refractive index than the semiconductor layer sequence 2. This means that the layer 34 can act as a totally reflecting layer, so that a high
  • the contact surfaces 31, 32 each have at least one
  • the reflector 4 on the non-emitting side surfaces 26 is constructed analogously to the contact surfaces 31, 32.
  • the reflector 4 thus comprises an electrical insulation layer 42 made of a low-refractive material such as silicon dioxide.
  • the reflector 4 contains at least one metal layer 41.
  • the contact surfaces 31, 32 can be flush or approximately flush with the main sides 24, 25.
  • the reflector 4 can be flush or approximately flush with the respective side surfaces 26.
  • the contact areas 31, 32 are only drawn as metallic contact areas.
  • the layer 34 made of a transparent conductive oxide can optionally also be additionally present in all other exemplary embodiments.
  • the insulation layer 42 viewed in cross section, extends in a U-shape across the side surfaces 26 to the contact surfaces 31, 32.
  • the metal layer 41 can also be U-shaped in cross-section and extend partially to the main sides 24, 25.
  • An electrically insulating passivation layer 7 is optionally present, which encapsulates the metal layer 41 and the short circuits between the contact surfaces 31, 32 and
  • Metal layer 41 prevents. According to FIG. 9, the layers 41, 42 are U-shaped in cross section. Deviating from FIG. 8, the layers 41, 42 extend onto the contact surfaces 31, 32, wherein
  • the passivation layer 7 is again optionally present.
  • the metal layer 41 is in each case electrically separated from the contact areas 31, 32.
  • the insulation layer 42 can extend to the main side 24 on the contact layer 31.
  • the insulation layer 42 can optionally extend onto the contact surface 32.
  • a roughening 51 is provided, is provided with a roughening 51. Such a roughening 51 can be increased
  • Such a roughening 51 is preferably also present in all exemplary embodiments.
  • the reflector 4 for example a white, diffusely reflecting material, is on the rear side surface 26 in the direction perpendicular to the active zone 22 can be flush or approximately flush with the contact surfaces 31, 32. The same can apply to the insulation layer 42.
  • a partial or complete one can be provided via the phosphor 53
  • yellow light can sometimes be generated from blue light, so that white light is emitted overall.
  • individual emitter units 1 luminescent materials can be used for the separate generation of green light and red light.
  • the respective emitter units 1 can be used for the separate generation of green light and red light.
  • Optics 52 are optional for semiconductor component 10
  • the emission surface 11 can be comparatively small, which can lead to increased quality and efficiency of an optical image.
  • Side surface 27 is sufficient. A remaining area of the main side 24 near the side surface 27 can be covered by the reflector 4, whereby a planarization is possible by means of the reflector 4.
  • FIGS. 13 and 14 also illustrate that the reflector 4, at least on the side surfaces 26, can be a Bragg reflector, in particular made of dielectric materials, or an electrically insulating, diffusely reflecting material. This means that no additional electrically insulating layers need to be applied to the side surfaces 26.
  • Semiconductor layer sequence 2 can be designed trapezoidal. Thus, a width of the semiconductor layer sequence 2 can decrease in the direction towards the emission surface 11.
  • FIG. 16 illustrates that the
  • Semiconductor layer sequence 2 is not square, but hexagonal in plan view. In this case too, a width of the semiconductor layer sequence 2 decreases toward the emission surface 11.
  • the reflector 4 in turn covers all side surfaces 26 except for one for emission
  • FIG. 17 shows that several of the emitter units 1 on the side surfaces 27 are arranged side by side.
  • the main sides 24, 25 and thus the contact surfaces 31, 32 can thus be freely accessible.
  • a particularly thin semiconductor component 10 can be realized.
  • a carrier not shown, which mechanically stabilizes the arrangement of the emitter units 1.
  • the emitter unit 1 comprises a plurality of active zones 22 and also a plurality of the n-type regions 21 and the p-type regions 23, which encase the respective active zone 22. There are tunnel junctions 29 between adjacent cells of the emitter unit 1. All areas 21, 22, 23,
  • the emitter units 1 can be stacked one above the other.
  • the emitter units 1 each have the contact surfaces 31, 32 at the edges, which are preferably designed as part of the reflector 4.
  • Emitter units 11, which form the emission surface 11, are surrounded all around by the reflector 4.
  • the reflector 4 is preferably made of a transparent matrix material with reflecting particles.
  • the preferably thin reflector 4 is surrounded on the outside by a heat sink 64.
  • the heat sink 64 is generated, for example, galvanically.
  • Cooling devices 66 can be present in the carrier 6, for example cooling channels for liquids or gases or thermoelectric components.
  • FIG. 20 illustrates that the contact surfaces 31, 32 are structured.
  • the contact surfaces 31, 32 each preferably comprise a plurality of the metallic layers 33 which are embedded in an intermediate layer 36.
  • Intermediate layer 36 can be made of an electrically insulating or electrically conductive material, preferably of a material that is transparent to the radiation generated.
  • the TCO contact layers 34 are optionally present. Contact surfaces 31, 32, 33, 34, 36 designed in this way can
  • Emitter units 1 embedded in a potting body 68.
  • the emitter units 1 In order to enable individual, external electrical contacting of the emitter units 1, the
  • the translucent potting body 68 forms the carrier 6 of the semiconductor component 10.
  • the potting body 68 can have a phosphor or an optical filter material added to it.
  • the emitter units 1 are embedded in the reflector 4 designed as a potting compound and attached to the carrier 6. It is possible that the electrical
  • Contact surfaces 31, 32 are only close to the carrier 6.
  • the emitter units 1 in the direction away from the carrier 6 are covered by the contact surfaces 31, 32 at most 50% or 25% or 10% of their length.
  • the carrier 6 is provided with contact points 61. Via the contact points 61, of which only one is shown in FIG. 22, the carrier 6 can be connected to a data line for controlling the emitter units 1 and / or to a power supply, including a wireless one
  • the individual pixels 12 are preferably individual via the control electronics 62
  • FIG. 23 illustrates that the emitter units 1 are combined to form RGB pixels 12.
  • the emitter units 1, B and 1, G can be based on the material system InGaN and immediately blue and green light from one
  • Emit semiconductor layer sequence out This can also be done for the red-emitting emitter units 1, R.
  • the red light is preferably generated by means of a
  • Phosphor for example with GaN: Eu, which can be monolithically integrated in the emitter units 1, R.
  • the contact points not to be located next to but in the top view, but under the emitter units 1.
  • the emission surface 11 can thus be formed entirely by the emitter units 1 together with the reflector 4.
  • Emitter units 1 each in a cavity 65. Between the cavities 65 and the emitter units 1 there can be one
  • the emitter units 1 can also be tilted and spatially in the cavities 65 can be arranged randomly, for example if the emitter units 1 are mounted in the cavities 65 by means of chutes. This means that the emitter units 1 can be oriented differently relative to the reflector 4 and / or can be introduced into the reflector 4 at different depths. However, there is preferably a clear one
  • the emitter units 1 are arranged completely in the cavities 65 or that the
  • a small proportion of emitter units 1 protrude from the cavities 65. Electrical contacting of the
  • Emitter units 1 in the cavities 65 are preferably made by means of electrical connections 63, which are located on either side of the emitter units 1 in or on the
  • Cavities 65 can be.
  • the emitter units 1 can be arranged at a distance from the reflector 4 in the cavities 65. It is possible that the cavities 65 are partially or completely filled with a filling 69, in which the emitter units 1 and optionally also the connections 63 can be embedded. 25, it is possible that the emitter units 1 are not completely surrounded by the filling 69, but protrude from the filling 69.
  • Figure 26 is an embodiment of a
  • the lighting system 8 comprises one or more of the semiconductor components 1.
  • the focusing optics 52 are arranged downstream of the at least one semiconductor component 1.
  • the optics 52 are followed by a movable mirror 81 with a mirror surface.
  • the movable mirror 81 is a digital, for example Micromirror Device, or DMD for short.
  • the lighting system 8 can therefore be a component for digital light
  • Illumination system 8 can be a display.
  • the optics 52 can be a micro lens device, or MLD for short.
  • a maximum luminous area is limited in particular by the etandue of the optics 52 and / or the mirror area.
  • the semiconductor device 1 is for
  • mirror 81 is a DMD, 0.199 "nHD.
  • the semiconductor component 1 has a
  • a mirror surface of the mirror 81 is, for example, 12.16 mm ⁇ .
  • Half a light collection angle of the optics 52 is, for example, 69 °, and half an acceptance angle of the mirror 81 is, for example, 11.5 °.
  • the semiconductor component 1 this results in an etandue of 1.25 mm ⁇ sr and for the mirror 81 of
  • the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.

Landscapes

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  • Led Devices (AREA)

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil (10) eine Emittereinheit (1) und einen Reflektor (4). Die Emittereinheit (1) weist eine Halbleiterschichtenfolge (2) auf, die zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten (24, 25), mehrere Seitenflächen (26, 27) und eine aktive Zone (22) zur Strahlungserzeugung umfasst. Die Emittereinheit (1) beinhaltet elektrische Kontaktflächen (31, 32), die sich an den Hauptseiten (24, 25) befinden. Der Reflektor (4) überdeckt die Hauptseiten (24, 25) und alle Seitenflächen (26) bis auf eine einzige, zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) zu mindestens 90 %.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUTEIL
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das Licht mit einer hohen
Leuchtdichte emittiert.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind
Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil eine oder mehrere Emittereinheiten. Die mindestens eine Emittereinheit ist dazu eingerichtet, im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauteils eine
Strahlung zu emittieren, insbesondere sichtbares Licht.
Alternativ oder zusätzlich zu sichtbarem Licht kann von zumindest einer Emittereinheit auch nahultraviolette
Strahlung und/oder nahinfrarote Strahlung erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Emittereinheit eine Halbleiterschichtenfolge. Die
Halbleiterschichtenfolge weist zwei einander
gegenüberliegende Hauptseiten auf. Die Hauptseiten sind bevorzugt die größten Seiten der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere sind die Hauptseiten senkrecht zu einer
Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert. Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die Halbleiterschichtenfolge mehrere Seitenflächen. Die
Seitenflächen sind quer zu den Hauptseiten orientiert.
Bevorzugt verlaufen die Seitenflächen parallel oder
näherungsweise parallel zur Wachstumsrichtung der
Halbleiterschichtenfolge. Näherungsweise bedeutet
beispielsweise eine Winkeltoleranz von höchstens 15° oder 10° oder 5 ° .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere aktive Zonen. Die mindestens eine aktive Zone ist zur Strahlungserzeugung eingerichtet. Die aktive Zone beinhaltet zumindest einen pn- Übergang, eine EinfachquantentopfStruktur oder eine
MehrfachquantentopfStruktur . In der aktiven Zone wird über Ladungsträgerrekombination und damit über Elektrolumineszenz Strahlung erzeugt. Die aktive Zone befindet sich bevorzugt zwischen einem n-leitenden Bereich und einem p-leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge.
Die erzeugte Strahlung ist bevorzugt eine inkohärente
Strahlung und kein Laserlicht. Die Emittereinheit ist somit insbesondere ein Leuchtdiodenchip und/oder eine
Leuchtdiodeneinheit .
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt 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-mAspP]__p, wobei jeweils 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n + m < 1 sowie 0 < k < 1 ist. Insbesondere 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 umfasst die
Emittereinheit elektrische Kontaktflächen, bevorzugt genau zwei elektrische Kontaktflächen . Die elektrischen
Kontaktflächen sind zu einer Stromeinprägung in die
Halbleiterschichtenfolge eingerichtet. Die elektrischen
Kontaktflächen befinden sich an den Hauptseiten der
Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil einen Reflektor. Der Reflektor kann ein integraler Bestandteil der zumindest einen Emittereinheit sein. Der Reflektor überdeckt die Hauptseiten und alle
Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge bis auf eine einzige, zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche überwiegend. Überwiegend bedeutet zu mindestens 70 % oder 90 %.
Die Hauptseiten und die nicht zur Strahlungsemission
eingerichteten Seitenflächen können auch vollständig von dem Reflektor bedeckt sein. Der Reflektor ist zu einer Reflexion der im Betrieb erzeugten Strahlung eingerichtet. Ein
Reflexionsgrad des Reflektors für diese Strahlung beträgt bevorzugt mindestens 80 % oder 90 % oder 96 % oder 98 %. Der Reflektor kann einstückig gestaltet sein. Bevorzugt jedoch ist der Reflektor mehrstückig und aus mehreren Komponenten zusammengesetzt .
In mindestens einer Aus führungs form umfasst das
optoelektronische Halbleiterbauteil mindestens eine
Emittereinheit und mindestens einen Reflektor. Die
Emittereinheit weist eine Halbleiterschichtenfolge auf, die zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten, mehrere
Seitenflächen und eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung umfasst. Die Emittereinheit beinhaltet elektrische
Kontaktflächen, die sich an den Hauptseiten befinden. Der Reflektor überdeckt die Hauptseiten und alle Seitenflächen bis auf eine einzige, zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche zu mindestens 90 %.
Für viele Anwendungen, beispielsweise für Scheinwerfer in Kraftfahrzeugen oder in Projektoren, sind hohe Leuchtdichten notwendig. Mit dem hier beschriebenen Halbleiterbauteil sind hohe Leuchtdichten erreichbar, wobei das Halbleiterbauteil kleine geometrische Abmessungen aufweist.
Insbesondere erfolgt bei dem hier beschriebenen
Halbleiterbauteil eine Auskopplung des erzeugten Lichts an einer einzigen Facette oder Seitenfläche. Die
Halbleiterschichtenfolge kann als Lichtleiter gestaltet sein, um weit von der Auskoppelseite der Halbleiterschichtenfolge entfernt erzeugtes Licht zur Auskoppelfläche zu
transportieren. Bevorzugt ist die Auskoppelfläche sehr klein, um hohe Leuchtdichten zu erreichen. Eine metallische Verspiegelung einer Wachstumsoberseite und einer Wachstumsunterseite kann als vollflächige p- Kontaktfläche und als n-Kontaktfläche benutzt werden. Über eine geeignete Geometrie der Halbleiterschichtenfolge lässt sich eine hohe Lichtauskoppeleffizienz erzielen.
Es kann ein pixeliertes Abbildungssystem aufgebaut werden, bei dem jede Emittereinheit separat ansteuerbar ist. Damit lassen sich hochauflösende Abbildungen mit hoher Leuchtdichte erzielen. Es ist möglich, dass geometrische
Auskoppelstrukturen an der Auskoppelseite vorhanden sind.
Eine Kombination mit optischen Systemen und Konvertern, also Leuchtstoffen, an der Auskoppelseite ist insbesondere entlang einer Emissionsrichtung möglich. Es sind verschiedene
Varianten einer Verspiegelung der Halbleiterschichtenfolge, einer Kontaktführung und einer elektrischen Isolation
möglich. Über geometrische Modifikationen der Kontaktflächen und/oder einer Querschnittsfläche oder Grundfläche der
Halbleiterschichtenfolge lassen sich weiter erhöhte
Leuchtdichten erzielen.
Beispielsweise weist das Halbleiterbauteil gegenüber einem herkömmlichen Halbleiterbauteil gleicher Größe eine um einen Faktor 6 erhöhte Strahlungsdichte an der zur
Strahlungsemission eingerichteten Auskoppelseite auf.
Mit den Emittereinheiten sind Arrays aufbaubar, die
elektrisch in Serie geschaltet werden können, indem eine bevorzugt vollflächige Aufeinanderstapelung an den
elektrischen Kontaktflächen erfolgt. Die Emittereinheiten können auch elektrisch parallel geschaltet werden, indem die Kontaktflächen nebeneinander platziert werden. Dabei sind Kombinationen möglich. Solche Arrays können herkömmliche LED- Chips ersetzen und sind für Scheinwerfer,
Projektionsanwendungen, Straßenbeleuchtung und/oder für die Allgemeinbeleuchtung geeignet. Dabei kann eine Emission im sichtbaren Spektralbereich erfolgen, beispielsweise kann blaues, grünes und/oder rotes Licht oder auch weißes Licht emittiert werden oder es erfolgt eine Emission im
ultravioletten Spektralbereich und/oder im infraroten
Spektralbereich .
Insbesondere ist eine Anwendung der Emittereinheiten sowie des Halbleiterbauteils in Miniprojektoren und Near-to-Eye- Applikationen möglich.
Einzelne Emittereinheiten sind durch ihre besonders kleine Dicke gut für Spezialanwendungen geeignet, beispielsweise zum Einkoppeln in dünne, rechteckige oder auch ellipsoidale
Fasern oder Lichtleiter.
Eine Verlustleistung bei der elektrooptischen Konversion lässt sich beispielsweise mittels Luftstrom,
Flüssigkeitskühlung oder einer Wärmesenke abführen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedecken die
Kontaktflächen die Hauptflächen jeweils überwiegend,
beispielsweise zu mindestens 70 % oder 90 % oder 95 % oder vollständig. Dabei sind die Kontaktflächen bevorzugt ein Teil des Reflektors.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die
Kontaktflächen je mindestens eine metallische Schicht.
Optional weisen die Kontaktflächen eine weitere Schicht auf, insbesondere eine Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, wie ITO oder wie Zinkoxid. Eine solche TCO- Kontaktschicht befindet sich bevorzugt zwischen der
metallischen Schicht und der Halbleiterschichtenfolge.
Die metallische Schicht oder die TCO-Schicht der
Kontaktflächen ist bevorzugt eine durchgehende, lückenlose und zusammenhängende Schicht. Alternativ kann die metallische Schicht oder die TCO-Schicht strukturiert sein. Zwischen zum Beispiel inselförmigen Gebieten der metallischen Schicht oder der TCO-Schicht kann sich ein dielektrischer Spiegel oder ein Kombinationsspiegel mit metallischen und mit dielektrischen Komponenten befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein maximaler Abstand des Reflektors zur Halbleiterschichtenfolge höchstens 10 gm oder 5 gm oder 2 pm oder 1 pm. Insbesondere befindet sich der Reflektor stellenweise oder ganzflächig unmittelbar an der Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel befindet sich zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Reflektor stellenweise nur eine Passivierungsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zur
Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche überwiegend oder ganz frei von dem Reflektor. Beispielsweise ist diese Seitenfläche zu höchstens 5 % oder 10 % oder 20 % oder überhaupt nicht vom Reflektor bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine
Gesamtdicke der Emittereinheit höchstens ein Vierfaches oder ein Dreifaches oder ein Doppeltes einer Dicke des n-leitenden Bereichs oder der n-leitenden Bereiche der
Halbleiterschichtenfolge. Mit anderen Worten ist die
Gesamtdicke der Emittereinheiten im Wesentlichen durch die Halbleiterschichtenfolge bestimmt. Eine Dicke insbesondere der Kontaktflächen und des Reflektors ist bevorzugt kleiner als die Dicke der Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise liegt eine Dicke der Kontaktflächen jeweils bei höchstens 10 % oder 20 % oder 40 % der Dicke des n-leitenden Bereichs oder der n-leitenden Bereiche der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zur
Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche mit einer
Aufrauung versehen. Über eine solche Aufrauung lässt sich eine erhöhte Lichtauskoppeleffizienz erzielen. Bevorzugt liegt eine solche Aufrauung ausschließlich an der zur
Strahlungsemission eingerichteten Seitenfläche vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil eine Vielzahl der Emittereinheiten. Durch die Emittereinheiten wird bevorzugt eine gemeinsame
Emissionsfläche gebildet, die aus den zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen der Emittereinheiten
zusammengesetzt ist. Die Emissionsfläche kann eine ebene, planare Fläche sein.
Jede der Emittereinheiten kann einen eigenen Reflektor umfassen. Alternativ liegt ein gemeinsamer Reflektor für alle Emittereinheiten oder je für eine Gruppe von Emittereinheiten vor. Bevorzugt bilden dabei die Kontaktflächen je einen Teil des Reflektors zwischen zwei benachbarten Emittereinheiten. Alternativ sind die Kontaktflächen kein Teil des Reflektors und reflektieren nicht oder nicht signifikant, zum Beispiel im Falle von TCO-Kontaktflächen mit einem Brechungsindex, der ähnlich dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist. Umfassen die Emittereinheiten je mehrere aktive Zonen, so können zwischen benachbarten aktiven Zonen jeweils
Tunnelkontakte vorhanden sein. Bevorzugt jedoch umfassen die Emittereinheiten jeweils nur genau eine aktive Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die
Emittereinheiten in einer linearen oder in einer
zweidimensionalen Anordnung vor. Das heißt, die zur
Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen können alle entlang einer insbesondere geraden Linie angeordnet sein. Alternativ sind die zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen im Falle einer zweidimensionalen Anordnung in Draufsicht gesehen bevorzugt in einem regelmäßigen,
beispielsweise rechteckigen Gitter angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind benachbarte
Emittereinheiten an ihren Hauptflächen aufeinanderfolgend angeordnet, insbesondere unmittelbar aufeinandergestapelt angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Anordnung benachbarter Emittereinheiten über Seitenflächen,
insbesondere über gegenüberliegende Seitenflächen, die nicht zur Strahlungsemission vorgesehen sind, erfolgen. Liegt eine Anordnung aufeinanderfolgender Emittereinheiten nur über bevorzugt gegenüberliegende Seitenflächen vor, so lässt sich ein sehr dünnes Halbleiterbauteil erzeugen, das etwa für Displayhinterleuchtungen oder zur Einkopplung in Lichtfasern oder Lichtleiterplatten geeignet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil der Emittereinheiten über ihre Kontaktflächen unmittelbar mechanisch und elektrisch miteinander verbunden.
Beispielsweise sind die betreffenden Emittereinheiten aneinander gelötet oder elektrisch leitfähig geklebt, sodass sich zwischen den Kontaktflächen aufeinanderfolgender
Emittereinheiten lediglich ein Verbindungsmittel befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Emittereinheiten oder Gruppen von Emittereinheiten elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar. Dabei liegen bevorzugt verschiedenfarbig emittierende Emittereinheiten vor.
Beispielsweise liegen rotes Licht emittierendes
Emittereinheiten, grünes Licht emittierende Emittereinheiten und blaues Licht emittierende Emittereinheiten vor. Es ist möglich, dass durch die Emittereinheiten Bildpunkte aufgebaut sind, sodass das Halbleiterbauteil eine Anzeigevorrichtung sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Anzahl der Emittereinheiten des Halbleiterbauteils bei mindestens 100 oder 300 oder 1000. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Emittereinheiten bei höchstens 100.000 oder 30.000 oder 10.000. Es ist somit möglich, dass das Halbleiterbauteil im Vergleich zu einem Display, welche üblicherweise eine hohe Auflösung mit Millionen von Pixeln aufweisen, über relativ wenige Emittereinheiten verfügt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge zwischen den Hauptseiten bei
mindestens 0,5 pm oder 1 pm oder 2 pm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 12 pm oder 6 pm oder 4 pm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge in Richtung senkrecht zur
Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, eine Länge von mindestens 10 pm oder 40 pm oder 150 pm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Länge bei höchstens 0,5 mm oder 200 gm oder 100 gm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge in Richtung quer oder parallel zur Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, eine Breite von mindestens 30 gm oder 50 gm oder 100 gm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Breite bei höchstens 1 mm oder 0,5 mm oder 250 gm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Breite der Halbleiterschichtenfolge größer als die Länge der
Halbleiterschichtenfolge, oder umgekehrt. Beispielsweise übersteigt die Breite die Länge um mindestens einen Faktor 1,5 oder 3 oder 10, oder umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Reflektor eine oder mehrere Metallschichten oder besteht hieraus. Sind mehrere Metallschichten des Reflektors vorhanden, so können diese Metallschichten nebeneinander und damit nicht
überlappend angeordnet sein. Alternativ können in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge mehrere Metallschichten aufeinanderfolgen . Umfasst der Reflektor ausschließlich Metallschichten, so handelt es sich bei dem Reflektor um einen metallischen Reflektor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Reflektor mindestens eine totalreflektierende Schicht. Die
totalreflektierende Schicht weist im Vergleich zur
Halbleiterschichtenfolge bevorzugt einen relativ niedrigen Brechungsindex für die im Betrieb erzeugte Strahlung auf. Beispielsweise ist eine solche totalreflektierende Schicht aus einem Oxid wie Siliziumdioxid oder aus einem Nitrid wie Aluminiumnitrid . Der Reflektor kann mehrere solcher Schichten umfassen, die nebeneinander oder übereinander gestapelt angeordnet sein können.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form handelt es sich bei dem Reflektor mindestens zum Teil um einen Bragg-Reflektor . Der Reflektor weist dann mehrere strahlungsdurchlässige Schichten mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungsindizes auf. An einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Bragg-Reflektors kann sich eine reflektierende Metallschicht befinden, sodass der Bragg-Reflektor aus weniger
Schichtpaaren aufgebaut zu sein braucht.
Alternativ zu spekular reflektierenden Reflektoren wie
Metallreflektoren oder Bragg-Reflektoren können auch diffus reflektierende Reflektoren verwendet werden. Zum Beispiel ist der Reflektor dann durch ein transparentes Matrixmaterial gebildet, in das Partikel mit einem anderen Brechungsindex eingebettet sind. Insbesondere ist der Reflektor in diesem Fall aus einem Silikon, das mit Titandioxid-Partikeln
versetzt ist. Der Reflektor kann weiß erscheinen.
An verschiedenen Seiten der Halbleiterschichtenfolge können unterschiedliche Arten von Reflektoren vorliegen.
Beispielsweise sind an den Hauptseiten metallische
Reflektoren in Form der Kontaktflächen gegeben, wohingegen der Reflektor an den nicht zur Strahlungsemission
eingerichteten Seitenflächen durch einen Bragg-Spiegel oder durch eine diffus reflektierende Schicht gebildet sein kann oder alternativ durch einen Kombinationsspiegel, zum Beispiel mit der Metallschicht und mit einer totalreflektierenden
Schicht . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reflektor mindestens ein Seitenteil auf, das sich an den nicht zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenflächen der
Halbleiterschichtenfolge befindet. Das mindestens eine
Seitenteil ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material und kann durch die Metallschicht oder durch einen Teil der Metallschicht gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zumindest eine Seitenteil elektrisch von den Kontaktflächen getrennt.
Alternativ ist das mindestens eine Seitenteil mit einer der Kontaktflächen elektrisch verbunden, insbesondere ohmsch leitend elektrisch verbunden. Im letztgenannten Fall ist das Seitenteil beispielsweise ein Teil der Kontaktfläche an dem n-leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge oder ein Teil der Kontaktfläche an dem p-leitenden Bereich der
Halbleiterschichtenfolge. Mit anderen Worten kann sich eine der Kontaktflächen auf die nicht zur Strahlungsemission vorgesehenen Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge erstrecken .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der aktiven Zone und dem Reflektor eine elektrische
Isolationsschicht, insbesondere nur eine elektrische
Isolationsschicht. Diese elektrische Isolationsschicht kann einen Teil des Reflektors bilden, insbesondere eine Schicht eines Bragg-Spiegels oder die totalreflektierende Schicht eines Kombinationsspiegels. Mittels einer solchen
elektrischen Isolationsschicht, die die aktive Zone und bevorzugt den n-leitenden Bereich und/oder den p-leitenden Bereich bedeckt, sind Kurzschlüsse aufgrund metallischer Komponenten der Kontaktflächen und/oder des Reflektors vermeidbar . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen oder mehrere Leuchtstoffe. Der mindestens eine Leuchtstoff ist zumindest oder nur auf oder über der zur Strahlungsemission eingerichteten Seitenfläche angebracht. Das heißt, der Leuchtstoff kann sich unmittelbar an dieser Seitenfläche befinden. Der Leuchtstoff ist
bevorzugt in ein Matrixmaterial, wie ein Glas oder wie ein Kunststoff, etwa ein Silikon, eingebettet. Alternativ kann es sich bei dem Leuchtstoff um eine Keramik wie eine gesinterte Keramik handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet. In diesem Fall basiert die
Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem AlInGaN.
Es ist möglich, dass unterschiedlichen Emittereinheiten verschiedene Leuchtstoffe nachgeordnet sind. Damit können die Emittereinheiten alle auf dem gleichen Materialsystem
basieren, insbesondere auf AlInGaN, und dennoch zur Erzeugung von Licht unterschiedlicher Farben mit Hilfe des mindestens einen Leuchtstoffs eingerichtet sein. Alternativ werden zur Erzeugung der verschiedenen Farben unterschiedliche
Halbleitermaterialien herangezogen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterschichtenfolge oder ist die
Halbleiterschichtenfolge zusammen mit den Kontaktflächen als Lichtleiter hin zur Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, gestaltet. Damit kann die bevorzugt
inkohärente Strahlung erzeugende Halbleiterschichtenfolge alleine oder die Halbleiterschichtenfolge zusammen mit den Kontaktflächen Mantelschichten aufweisen, die einen vergleichsweise niedrigen Brechungsindex aufzeigen. In der Halbleiterschichtenfolge kann also eine totalreflektierende, wellenleitende Struktur ähnlich einem zweidimensionalen
Lichtleiter gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verjüngt sich die
Halbleiterschichtenfolge in Richtung hin zu der Seitenfläche, die zur Strahlungsemission eingerichtet ist. Dies gilt in Draufsicht auf eine der Hauptseiten und/oder im Querschnitt durch die Hauptseiten gesehen. Das heißt, in Draufsicht auf die Hauptseiten gesehen kann die Halbleiterschichtenfolge hin zur strahlungsemittierenden Seite sich verschmälern .
Alternativ oder zusätzlich kann eine Dicke der
Halbleiterschichtenfolge in Richtung hin zu der Seite, die zur Strahlungsemission vorgesehen ist, sich verringern.
Darüber hinaus wird ein Beleuchtungssystem angegeben.
Merkmale des Beleuchtungssystems sind für das
Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt. Das
Beleuchtungssystem umfasst eine oder mehrere der
optoelektronischen Halbleiterbauteile sowie eine
Abbildungseinheit, insbesondere einen beweglichen Spiegel. Bevorzugt befindet sich zwischen dem Halbleiterbauteil und dem Spiegel eine Optik wie eine Sammellinse.
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
Figur 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung einer
Abwandlung eines Halbleiterbauteils,
Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figur 5 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figur 6 eine tabellarische Übersicht über
Ausführungsbeispiele und über eine Abwandlung von Halbleiterbauteilen,
Figuren 7 bis 11 schematische Draufsichten auf eine
Auskoppelseite von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauteilen, Figuren 12 bis 14 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figuren 15 und 16 schematische Draufsichten auf
Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figur 17 eine schematische Draufsicht auf eine
Emissionsfläche eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauteils ,
Figur 18 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figur 19 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figuren 20 und 21 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
22 eine schematische Schnittdarstellung und Figur 23 eine schematische Draufsicht auf ein
Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils ,
Figur 24 eine schematische Draufsicht und Figur 25 eine
schematische Schnittdarstellung entlang der Strich- Punkt-Linie der Figur 24 eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauteils, und
Figur 26 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines Beleuchtungssystems mit einem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteil .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines
optoelektronischen Halbleiterbauteils 10 dargestellt. Das Halbleiterbauteil 10 ist durch eine einzige Emittereinheit 1 gebildet .
Die Emittereinheit 1 umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 2. Die Halbleiterschichtenfolge 2 beinhaltet eine aktive Zone 22, die sich zwischen einem n-leitenden Bereich 21 und einem p-leitenden Bereich 23 befindet. Bevorzugt basiert die
Halbleiterschichtenfolge 2 auf dem Materialsystem AlInGaN.
Das heißt, die Schichten 21, 23 können jeweils entsprechend dotierte GaN-Schichten sein.
Weiterhin umfasst die Emittereinheit 1 elektrische
Kontaktflächen 31, 32. Eine erste elektrische Kontaktfläche 31 befindet sich an dem n-leitenden Bereich 21, eine zweite elektrische Kontaktfläche 32 ist an dem p-leitenden Bereich 23 angebracht. Die Kontaktflächen 31, 32 sind bevorzugt metallische Schichten oder metallische Schichtenstapel. Damit befinden sich die Kontaktflächen 31, 32 an Hauptseiten 24, 25 der Halbleiterschichtenfolge 2, bevorzugt unmittelbar an den Hauptseiten 24, 25.
Die Kontaktflächen 31, 32 stellen Teile eines Reflektors 4 für im Betrieb erzeugte Strahlung dar. Außerdem erstreckt sich der Reflektor 4 auf drei Seitenflächen 26 und bedeckt diese Seitenflächen 26 vollständig oder nahezu vollständig. Die quaderförmige Halbleiterschichtenfolge 2 ist damit an fünf von sechs Seitenflächen 26 von dem Reflektor 4 umgeben, sodass an diesen Seitenflächen 26 im Betrieb keine Strahlung oder kein signifikanter Strahlungsanteil aus der
Emittereinheit 1 austritt.
Eine einzige Seitenfläche 27 ist als Emissionsfläche 11 der Emittereinheit 1 gestaltet. Nur an dieser Seitenfläche 27 tritt im Betrieb Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge 2 aus. Bei dieser Seitenfläche 27 kann es sich um eine kleinste Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 handeln.
Eine Gesamtdicke der Emittereinheit 1 ist ungefähr gleich einer Dicke T der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Dicke T liegt beispielsweise zwischen einschließlich 2 pm und 5 pm. Eine Dicke der Kontaktflächen 31, 32 und/oder des Reflektors 4 liegt bevorzugt unterhalb von 1 pm, insbesondere unterhalb von 0,5 pm. Damit weist die Emittereinheit 1 eine ähnliche Größe auf, wie die als trägerloser Leuchtdiodenchip
gestaltete Halbleiterschichtenfolge 2.
Der durch den Reflektor 4 definierte Lichtkasten weist somit ebenfalls ungefähr die gleiche Größe auf wie die
Halbleiterschichtenfolge 2. Eine solche Anordnung, die auf die Größe der Halbleiterschichtenfolge 2 begrenzt ist, wird auch als Chip-Scale Lightbox bezeichnet.
Eine Länge L der Halbleiterschichtenfolge 2 und damit der Emittereinheit 1 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 30 pm und 100 pm. Eine Breite W der Halbleiterschichtenfolge 2 beträgt beispielsweise mindestens 40 pm und/oder höchstens 400 mpi. Entsprechende Werte können für alle anderen
Ausführungsbeispiele gelten.
In Figur 2 ist eine Schnittdarstellung eines
Halbleiterbauteils 10 illustriert, das aus genau einer
Emittereinheit 1 gebildet ist. Das Halbleiterbauteil 10 der Figur 2 ist im Wesentlichen aufgebaut wie das
Halbleiterbauteil 10 der Figur 1. Eine Emission von zum
Beispiel blauem Licht R erfolgt ausschließlich an derjenigen Seitenfläche 27, die die Emissionsfläche 11 bildet.
Das Halbleiterbauteil 10 weist somit eine kleine
Auskoppelfläche 27 auf, wodurch eine große Leuchtdichte an der Emissionsfläche 11 erreichbar ist. Die vergleichsweise lange Halbleiterschichtenfolge 2 wirkt in Richtung hin zur Emissionsfläche 11 als Lichtleiter. Damit kann Licht, das weit von der Emissionsfläche 11 entfernt in der aktiven Zone 22 erzeugt wird, dennoch effizient aus der
Halbleiterschichtenfolge 2 ausgekoppelt werden.
In Figur 3 ist eine Abwandlung 9 dargestellt. Bei der
Abwandlung 9 handelt es sich um einen herkömmlichen
Leuchtiodenchip, bei dem sich die Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Träger 6 befindet. Das im Betrieb erzeugte Licht R wird vor allem an einer Hauptseite 24 emittiert, die
gleichzeitig die Emissionsfläche 11 bildet. Die Lichtemission erfolgt über eine relativ große Fläche hinweg, sodass nur vergleichsweise geringe Leuchtdichten erzielt werden können.
Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 10 der Figur 4 sind mehrere der Emittereinheiten 1 übereinandergestapelt angeordnet. Die einzelnen Emittereinheiten 1 sind über benachbarte Kontaktflächen 31, 32 miteinander verbunden, die beispielsweise mittels Löten aneinander befestigt sind.
Benachbarte Halbleiterschichtenfolgen 2 der Emittereinheiten 1 sind durch die jeweils zugehörigen Kontaktflächen 31, 32 und ein nicht gezeichnetes Verbindungsmittel, wie ein Lot, voneinander getrennt. Die einzelnen Emittereinheiten 1 sind über die Kontaktflächen 31, 32 elektrisch in Serie
geschaltet .
Außenliegende Kontaktflächen 31, 32 sind bevorzugt als
Kontaktflächen 35 zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauteils 10 eingerichtet. Diese äußersten
Kontaktflächen 31, 32 sind beispielsweise dicker gestaltet und/oder weisen zusätzliche Metallschichten auf, im Vergleich zu den innenliegenden Kontaktflächen 31, 32.
Die Seitenflächen 26, die nicht zur Emission von Licht eingerichtet sind, sind bevorzugt durchgehend von dem
Reflektor 4 bedeckt. Die Seitenflächen 27 der einzelnen
Emittereinheiten 1, die zur Strahlungsemission eingerichtet sind, bilden zusammengenommen die Emissionsfläche 11. Die Emissionsfläche 11 und damit alle Seitenflächen 27, an denen Strahlung emittiert wird, liegen bevorzugt in einer Ebene.
Gemäß Figur 4 sind die Emittereinheiten 1 linear angeordnet. Demgegenüber erfolgt in Figur 5 eine zweidimensionale
Anordnung der Emittereinheiten 1. Entlang einer
Stapelrichtung der Emittereinheiten 1 können die
Emittereinheiten 1 elektrisch in Serie geschaltet sein und Spalten bilden. In Richtung parallel zu den externen
Kontaktflächen 35 können die Emittereinheiten elektrisch parallel verschaltet sein. Damit kann eine kombinierte
Parallelschaltung und Serienschaltung der Emittereinheiten 1 vorliegen . Zwischen benachbarten Serienschaltungen der Emittereinheiten 1 und an äußeren Seitenflächen, die nicht von den externen Kontaktflächen 35 bedeckt sind, befindet sich jeweils der Reflektor 4. Zusätzlich umfasst der Reflektor 4 wiederum die zwischen benachbarten Emittereinheiten 1 liegenden
Kontaktflächen 31, 32. Der Reflektor 4 erstreckt sich
optional zwischen benachbarten Spalten kann in diesem Bereich aus einem dielektrischen Spiegel gebildet sein. Seitenteile 44 des Reflektors 4 sind zum Beispiel metallisch oder aus einem diffus reflektierenden Material, wie einem Titandioxid gefüllten Silikon, gebildet.
Die Emittereinheiten 1 sind bevorzugt auf einem Träger 6 angebracht. Bei dem Träger 6 handelt es sich bevorzugt um eine Wärmesenke des Halbleiterbauteils 10. Optional kann der Träger 6 nicht gezeichnete Kühlrippen für eine Luftkühlung umfassen. Weiterhin ist es möglich, dass der Träger 6 nicht gezeichnete Kanäle für eine Flüssigkeitskühlung aufweist.
Gemäß Figur 5 sind die Emittereinheiten 1 allesamt baugleich. Abweichend von der Darstellung der Figur 5 können auch unterschiedlich aufgebaute Emittereinheiten zu dem
Halbleiterbauteil 10 zusammengefasst werden. Beispielsweise können rot emittierende, grün emittierende und blau
emittierende Emittereinheiten miteinander kombiniert
vorliegen, sodass RGB-Bildpunkte resultieren können.
Abweichend von der Darstellung der Figur 5 können solche RGB- Bildpunkte oder auch die Emittereinheiten 1 insgesamt
elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sein.
Entsprechende elektrische Kontaktflächen oder
Verdrahtungsebenen können in dem Träger 6 integriert sein. Ebenso kann der Träger 6 eine Ansteuerelektronik 62 umfassen. Damit kann der Träger 6 ein IC-Chip sein.
Abweichend von der Darstellung in Figur 5 kann sich der
Träger 6 mit der optionalen Ansteuerelektronik 62 auch an Seitenflächen des Feldes mit den Emittereinheiten 1 befinden. Gleiches gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele.
In Figur 6 sind exemplarisch geometrische und optische
Parameter für die Abwandlung 9 der Figur 3 und für
verschiedene Ausführungsbeispiele der Halbleiterbauteile 10, analog zu Figur 5, angegeben.
Angegeben ist jeweils eine Anzahl N der Emittereinheiten 1, die Breite W der zugehörigen Halbleiterschichtenfolge und damit der zugehörigen Emittereinheiten, die Dicke T, eine Grundfläche B des entsprechenden Halbleiterbauteils 10, die Länge L sowie eine Extraktionseffizienz E und eine relative Leuchtdichte Z an der Emissionsfläche 11.
Die Halbleiterbauteile 10 weisen zum Beispiel 30 x 30 = 900 oder 3 x 1111 = 3333 oder 200 x 100 = 20000 der
Emittereinheiten 1 auf. Somit kann das Halbleiterbauteil 10 eine vergleichsweise große Anzahl an Emittereinheiten 1 umfassen .
Abhängig von der Geometrie der Emittereinheiten 1 und damit der jeweiligen Halbleiterschichtenfolge 2 ergeben sich verschiedene Werte für eine Extraktionseffizienz E und für eine relative Leuchtdichte Z. Die Werte für die
Extraktionseffizienz E basieren dabei auf einer
Halbleiterschichtenfolge 2 ohne jegliche Aufrauung, sodass diese Werte bei einer Optimierung einer Auskopplung ansteigen können .
Ferner ist aus Figur 6 ersichtlich, dass bei den hier
beschriebenen Halbleiterbauteilen 10 hohe relative
Leuchtdichten Z erzielbar sind. Insbesondere bei Anwendungen, in denen den Halbleiterbauteilen 10 optische Elemente
nachgeordnet sind, kann die höhere relative Leuchtdichte Z eine eventuell niedrigere Extraktionseffizienz E ausgleichen, da bei einer bestimmten vorgegebenen Helligkeit eine kleinere Emissionsfläche 11 resultiert und eine optische Abbildung effizienter gestaltet werden kann.
In den Figuren 7 bis 11 sind verschiedene
Gestaltungsmöglichkeiten des Reflektors 4 und der
Kontaktflächen 31, 32 gezeigt. Diese jeweiligen
Ausgestaltungen können in allen Ausführungsbeispielen
entsprechend verwendet werden.
Gemäß Figur 7 weisen die Kontaktflächen 31, 32 je eine
Schicht 34 aus einem transparenten leitfähigen Oxid auf. Die Schicht 34 weist einen kleineren Brechungsindex auf als die Halbleiterschichtenfolge 2. Damit kann die Schicht 34 als totalreflektierende Schicht wirken, sodass eine hohe
Lichtleiteffizienz in Richtung hin zur Seitenfläche 27, gleich der Emissionsfläche 11, resultieren kann. Zusätzlich weisen die Kontaktflächen 31, 32 je mindestens eine
metallische Schicht 33 auf.
Der Reflektor 4 an den nicht emittierenden Seitenflächen 26 ist analog zu den Kontaktflächen 31, 32 aufgebaut. Damit umfasst der Reflektor 4 eine elektrische Isolationsschicht 42 aus einem niedrig brechenden Material wie Siliziumdioxid. Außerdem beinhaltet der Reflektor 4 zumindest eine Metallschicht 41.
Somit kann über die Schichten 34, 42 eine Totalreflexion von Strahlung erreicht werden, wohingegen über die Schichten 33, 41 eine herkömmliche, spekulare Reflexion an Metallen
erfolgen kann.
Die Kontaktflächen 31, 32 können bündig oder näherungsweise bündig mit den Hauptseiten 24, 25 abschließen. Entsprechend kann der Reflektor 4 bündig oder näherungsweise bündig mit den jeweiligen Seitenflächen 26 abschließen.
Nachfolgend sind die Kontaktflächen 31, 32 jeweils nur als metallische Kontaktflächen gezeichnet. Die Schicht 34 aus einem transparenten leitfähigen Oxid kann jedoch genauso in allen anderen Ausführungsbeispielen optional zusätzlich vorhanden sein.
Gemäß Figur 8 bedecken die Kontaktflächen 31, 32 die
Hauptseiten 25, 24 nur teilweise. Dafür erstreckt sich die Isolationsschicht 42 im Querschnitt gesehen U-förmig über die Seitenflächen 26 hinweg bis an die Kontaktflächen 31, 32.
Auch die Metallschicht 41 kann im Querschnitt U-förmig gestaltet sein und sich teilweise auf die Hauptseiten 24, 25 erstrecken .
Optional ist eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht 7 vorhanden, die die Metallschicht 41 verkapselt und die Kurzschlüsse zwischen den Kontaktflächen 31, 32 und der
Metallschicht 41 unterbindet. Gemäß Figur 9 sind die Schichten 41, 42 im Querschnitt U- förmig gestaltet. Abweichend von Figur 8 erstrecken sich die Schichten 41, 42 auf die Kontaktflächen 31, 32, wobei
Kurzschlüsse durch die Isolationsschicht 42 vermieden sind. Optional ist wiederum die Passivierungsschicht 7 vorhanden.
In den Figuren 7 bis 9 ist die Metallschicht 41 jeweils elektrisch von den Kontaktflächen 31, 32 separiert.
Demgegenüber besteht zwischen der Metallschicht 41 an den Seitenflächen 26 und einer der Kontaktflächen 31 gemäß den Figuren 10 und 11 eine direkte, ohmsch leitende elektrische Verbindung. Dabei bedecken gemäß Figur 10 Fortsätze der ersten Kontaktfläche 31 die Seitenflächen 26 im Wesentlichen vollständig. Gemäß Figur 11 erstrecken sich die Fortsätze der Kontaktfläche 31 auf die Hauptseite 25 mit der Kontaktfläche 32.
Optional ist es möglich, dass sich diese Fortsätze für den Reflektor 4 stellenweise unmittelbar an den Seitenflächen 26 befinden. Alternativ kann die Isolationsschicht 42 bis zur Hauptseite 24 an der Kontaktschicht 31 reichen. Optional kann sich die Isolationsschicht 42 auf die Kontaktfläche 32 erstrecken .
In Figur 12 ist illustriert, dass die Emissionsfläche 11 und damit die Seitenfläche 27, die zur Strahlungsemission
vorgesehen ist, mit einer Aufrauung 51 versehen ist. Über eine solche Aufrauung 51 lässt sich eine erhöhte
Lichtauskoppeleffizienz erzielen. Bevorzugt liegt eine solche Aufrauung 51 auch in allen Ausführungsbeispielen vor.
Weiterhin ist in Figur 12 illustriert, dass der Reflektor 4, zum Beispiel ein weißes, diffus reflektierendes Material, an der hinteren Seitenfläche 26 in Richtung senkrecht zur aktiven Zone 22 bündig oder näherungsweise bündig mit den Kontaktflächen 31, 32 abschließen kann. Gleiches kann für die Isolationsschicht 42 gelten.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 13 befindet sich an der Emissionsfläche 11 mindestens ein Leuchtstoff 53. Über den Leuchtstoff 53 kann eine teilweise oder vollständige
Umwandlung der in der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge
erfolgen. Beispielsweise kann aus blauem Licht teilweise gelbes Licht erzeugt werden, sodass insgesamt weißes Licht emittiert wird.
Alternativ können einzelnen Emittereinheiten 1 Leuchtstoffe zur separaten Erzeugung von grünem Licht und rotem Licht verwendet werden. Beispielsweise in der Ausführungsform der Figur 5 können auf den jeweiligen Emittereinheiten 1
unterschiedliche Leuchtstoffe aufgebracht werden, um RGB- Bildpunkte zu erzielen.
Optional ist dem Halbleiterbauteil 10 eine Optik 52
nachgeordnet, beispielsweise für eine Lichtabbildung. Da an der Emissionsfläche 11 eine vergleichsweise hohe Leuchtdichte emittiert wird, kann die Emissionsfläche 11 vergleichsweise klein sein, was zu einer erhöhten Qualität und Effizienz einer optischen Abbildung führen kann.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 14 ist illustriert, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich einer Verjüngung 28 hin zur Seitenfläche 27, die zur Emission der Strahlung
eingerichtet ist, dünner wird. Dadurch lässt sich eine noch kleinere Seitenfläche 27 erreichen, einhergehend mit höheren Leuchtdichten .
Es ist möglich, dass die Kontaktfläche 31 an der Seite, an der sich die Verjüngung 28 befindet, nicht bis zur
Seitenfläche 27 reicht. Ein übriger Bereich der Hauptseite 24 nahe der Seitenfläche 27 kann vom Reflektor 4 bedeckt sein, wobei mittels des Reflektors 4 eine Planarisierung möglich ist .
In den Figuren 13 und 14 ist außerdem veranschaulicht, dass es sich bei dem Reflektor 4 zumindest an den Seitenflächen 26 um einen Bragg-Reflektor, insbesondere aus dielektrischen Materialien, oder um ein elektrisch isolierendes, diffus reflektierendes Material handeln kann. Damit brauchen an den Seitenflächen 26 keine zusätzlichen elektrisch isolierenden Schichten aufgebracht zu werden.
In der Draufsicht der Figur 15 ist gezeigt, dass die
Halbleiterschichtenfolge 2 trapezförmig gestaltet sein kann. Somit kann eine Breite der Halbleiterschichtenfolge 2 in Richtung hin zur Emissionsfläche 11 abnehmen.
In Figur 16 ist illustriert, dass die
Halbleiterschichtenfolge 2 in Draufsicht gesehen nicht viereckig, sondern sechseckig geformt ist. Auch in diesem Fall nimmt eine Breite der Halbleiterschichtenfolge 2 hin zur Emissionsfläche 11 ab. Der Reflektor 4 bedeckt wiederum alle Seitenflächen 26 bis auf die genau eine zur Emission
eingerichtete Seitenfläche 27.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 17 ist dargestellt, dass mehrere der Emittereinheiten 1 an den Seitenflächen 27 nebeneinander angeordnet sind. Die Hauptseiten 24, 25 und damit die Kontaktflächen 31, 32 können also frei zugänglich sein. Mit einer solchen Anordnung lässt sich ein besonders dünnes Halbleiterbauteil 10 realisieren. Optional ist ein nicht gezeichneter Träger vorhanden, der die Anordnung der Emittereinheiten 1 mechanisch stabilisiert.
Gemäß Figur 18 umfasst die Emittereinheit 1 mehrere aktive Zonen 22 und auch mehrere der n-leitenden Bereiche 21 sowie der p-leitenden Bereiche 23, die die jeweilige aktive Zone 22 ummanteln. Zwischen benachbarten Zellen der Emittereinheit 1 befinden sich Tunnelübergänge 29. Alle Bereiche 21, 22, 23,
29 der Emittereinheit 1 können zusammenhängend epitaktisch gewachsen sein.
Mehrerer solcher Emittereinheiten 1 können übereinander gestapelt sein. Die Emittereinheiten 1 weisen randständig jeweils die Kontaktflächen 31, 32 auf, die bevorzugt als Teil des Reflektors 4 gestaltet sind.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 19 ist das Feld der
Emittereinheiten 11, das die Emissionsfläche 11 bildet, ringsum von dem Reflektor 4 umgeben. In diesem Fall ist der Reflektor 4 bevorzugt aus einem transparenten Matrixmaterial mit reflektierenden Partikeln.
Zur effizienteren Kühlung ist der bevorzugt dünne Reflektor 4 außen ringsum von einem Kühlkörper 64 umgeben. Der Kühlkörper 64 ist zum Beispiel galvanisch erzeugt. In dem Träger 6 können Kühlvorrichtungen 66 vorhanden sein, zum Beispiel Kühlkanäle für Flüssigkeiten oder Gase oder thermoelektrische Komponenten . In Figur 20 ist illustriert, dass die Kontaktflächen 31, 32 strukturiert aufgebaut sind. So umfassen die Kontaktflächen 31, 32 je bevorzugt mehrere der metallischen Schichten 33 die in eine Zwischenschicht 36 eingebettet sind. Die
Zwischenschicht 36 kann aus einem elektrisch isolierenden oder elektrisch leitfähigen Material sein, bevorzugt aus einem für die erzeugte Strahlung durchlässigen Material.
Optional sind die TCO-Kontaktschichten 34 vorhanden. Derart gestaltete Kontaktflächen 31, 32, 33, 34, 36 können
gleichermaßen in allen anderen Ausführungsbeispielen
verwendet werden.
Beim Halbleiterbauteil 10 der Figur 21 sind die
Emittereinheiten 1 in einen Vergusskörper 68 eingebettet. Um eine individuelle, externe elektrische Kontaktierung der Emittereinheiten 1 zu ermöglichen, können die
Emittereinheiten 1 unterschiedlich weit oder sogar
vollständig aus dem Vergusskörper 68 herausragen.
Optional befindet sich zwischen benachbarten Emittereinheiten 1 je eine Isolationsschicht 42, um elektrische Brücken zu verhindern. Der lichtdurchlässige Vergusskörper 68 bildet den Träger 6 des Halbleiterbauteils 10. Dem Vergusskörper 68 kann ein Leuchtstoff oder ein optischer Filterstoff beigegeben sein .
Gemäß Figur 22 sind die Emittereinheiten 1 in den als Verguss gestalteten Reflektor 4 eingebettet und an dem Träger 6 angebracht. Es ist möglich, dass sich die elektrischen
Kontaktflächen 31, 32 nur nahe an dem Träger 6 befinden. Zum Beispiel sind die Emittereinheiten 1 in Richtung weg von dem Träger 6 zu höchstens 50 % oder 25 % oder 10 % ihrer Länge von den Kontaktflächen 31, 32 bedeckt. Der Träger 6 ist mit Kontaktstellen 61 versehen. Über die Kontaktstellen 61, von denen in Figur 22 nur eine gezeichnet ist, kann der Träger 6 an eine Datenleitung zur Ansteuerung der Emittereinheiten 1 und/oder an eine Stromversorgung angeschlossen werden, wobei auch eine drahtlose
Datenübertragung möglich ist. Die einzelnen Bildpunkte 12 sind über die Ansteuerelektronik 62 bevorzugt einzeln
ansteuerbar .
In Figur 23 ist illustriert, dass die Emittereinheiten 1 zu RGB-Bildpunkten 12 zusammengefasst sind. Die Emittereinheiten 1, B und 1, G können auf dem Materialsystem InGaN basieren und unmittelbar blaues und grünes Licht aus einer
Halbleiterschichtenfolge heraus emittieren. Für die rot emittierenden Emittereinheiten 1, R kann auch das
Materialsystem InGaN als Basis dienen. Eine Erzeugung des roten Lichts erfolgt hierbei bevorzugt mittels eines
Leuchtstoffs, zum Beispiel mit GaN:Eu, der monolithisch in den Emittereinheiten 1, R integriert sein kann.
Gemäß Figur 23 ist es möglich, dass sich die Kontaktstellen nicht in Draufsicht neben, sondern unter den Emittereinheiten 1 befinden. Die Emissionsfläche 11 kann damit vollständig durch die Emittereinheiten 1 zusammen mit dem Reflektor 4 gebildet sein.
Beim Ausführungsbeispiel der Figuren 24 und 25 befinden sich die bevorzugt zu den Bildpunkten 12 gruppierten
Emittereinheiten 1 jeweils in einer Kavität 65. Zwischen den Kavitäten 65 und den Emittereinheiten 1 kann eine
eineindeutige Zuordnung vorliegen. Die Emittereinheiten 1 können in den Kavitäten 65 auch verkippt und räumlich zufällig angeordnet werden, zum Beispiel, wenn die Emittereinheiten 1 mittels Schütten in den Kavitäten 65 montiert werden. Das heißt, die Emittereinheiten 1 können relativ zum Reflektor 4 unterschiedlich orientiert sein und/oder unterschiedlich tief in den Reflektor 4 eingebracht sein. Dabei liegt bevorzugt dennoch eine eindeutige
Farbzuordnung der Emittereinheiten 1 zu den Kavitäten 65 vor.
Es ist möglich, dass die Emittereinheiten 1 vollständig in den Kavitäten 65 angeordnet sind oder dass die
Emittereinheiten 1 zu einem kleinen Anteil aus den Kavitäten 65 herausragen. Eine elektrische Kontaktierung der
Emittereinheiten 1 in den Kavitäten 65 erfolgt bevorzugt mittels elektrischer Verbindungen 63, die sich jeweils beiderseits der Emittereinheiten 1 in oder auch auf den
Kavitäten 65 befinden können.
Die Emittereinheiten 1 können beabstandet von dem Reflektor 4 in den Kavitäten 65 angeordnet sein. Es ist möglich, dass die Kavitäten 65 teilweise oder vollständig mit einer Füllung 69 ausgefüllt sind, in die die Emittereinheiten 1 und optional auch die Verbindungen 63 eingebettet sein können. Abweichend von Figur 25 ist es möglich, dass die Emittereinheiten 1 nicht vollständig von der Füllung 69 umgeben sind, sondern aus der Füllung 69 herausragen.
In Figur 26 ist ein Ausführungsbeispiel eines
Beleuchtungssystems 8 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 8 umfasst eines oder auch mehrere der Halbleiterbauteile 1. Dem mindestens einen Halbleiterbauteil 1 ist die fokussierend wirkende Optik 52 nachgeordnet. Der Optik 52 folgt ein beweglicher Spiegel 81 mit einer Spiegelfläche nach. Der bewegliche Spiegel 81 ist zum Beispiel ein Digital Micromirror Device, kurz DMD. Bei dem Beleuchtungssystem 8 kann es sich also um ein Bauteil für Digital Light
Processing, kurz DLP, handeln. Das heißt, das
Beleuchtungssystem 8 kann ein Display sein. Die Optik 52 kann ein Micro Lens Device, kurz MLD, sein.
Bei dem Beleuchtungssystem 8 ist eine maximale Leuchtfläche insbesondere durch das Etandue des Optik 52 und/oder der Spiegelfläche begrenzt. Das Halbleiterbauteil 1 ist zum
Beispiel aus 4 x 299 pm RTTBs zusammengesetzt. Der Spiegel 81 ist zum Beispiel ein DMD, 0,199" nHD.
Beispielsweise weist das Halbleiterbauteil 1 eine
Emissionsfläche von 0,41 mm^ auf. Eine Spiegelfläche des Spiegels 81 liegt zum Beispiel bei 12,16 mm^ . Ein halber Lichtsammelwinkel der Optik 52 liegt zum Beispiel bei 69°, ein halber Akzeptanzwinkel des Spiegels 81 zum Beispiel bei 11,5°. Für das Halbleiterbauteil 1 ergibt sich daraus eine Etandue von 1,25 mm^ sr und für den Spiegel 81 von
1,81 mm2 sr .
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 132 651.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugszeichenliste
10 optoelektronisches Halbleiterbauteil
1 Emittereinheit
11 Emissionsfläche
12 Bildpunkt
2 Halbleiterschichtenfolge
21 n-leitender Bereich
22 aktive Zone
23 p-leitender Bereich
24 erste Hauptseite
25 zweite Hauptseite
26 Seitenfläche, vom Reflektor bedeckt
27 Seitenfläche, zur Strahlungsemission eingerichtet
28 Verjüngung
29 Tunnelübergang
31 erste elektrische Kontaktfläche
32 zweite elektrische Kontaktfläche
33 metallische Schicht
34 TCO-Kontaktschicht
35 Kontaktfläche zur externen elektrischen Kontaktierung
36 Zwischenschicht
4 Reflektor
41 Metallschicht
42 elektrische Isolationsschicht
44 Seitenteil
51 Aufrauung
52 Optik
53 Leuchtstoff
6 Träger
61 Kontaktstelle
62 Ansteuerelektronik
63 elektrische Verbindung 64 Kühlkörper
65 Kavität
66 Kühlvorrichtung
68 Vergusskörper
69 Füllung
7 elektrisch isolierende Passivierungsschicht
8 BeleuchtungsSystem
81 beweglicher Spiegel
9 Abwandlung
B Grundfläche des Halbleiterbauteils/der Emissionsfläche E Extraktionseffizienz
L Länge der Halbleiterschichtenfolge
R Licht
T Dicke der Halbleiterschichtenfolge
W Breite der Halbleiterschichtenfolge
Z relative Leuchtdichte

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) mit mindestens einer Emittereinheit (1) und mit mindestens einem Reflektor
( 4 ) , wobei
- die Emittereinheit (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2) aufweist, die zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten (24, 25), mehrere Seitenflächen (26, 27) und eine aktive Zone (22) zur Strahlungserzeugung umfasst,
- die Emittereinheit (1) elektrische Kontaktflächen (31, 32) umfasst, die sich an den Hauptseiten (24, 25) befinden, und
- der Reflektor (4) die Hauptseiten (24, 25) und alle
Seitenflächen (26) bis auf eine einzige, zur
Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) zu
mindestens 90 % überdeckt.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Kontaktflächen (31, 32) die Hauptflächen (24, 25) je zu mindestens 90 % unmittelbar bedecken,
wobei die Kontaktflächen (31, 32) je mindestens eine
metallische Schicht (33) umfassen und je einen Teil des
Reflektors (4) bilden, sodass der Reflektor (4) ein
integraler Bestandteil der zugehörigen Emittereinheit (1) ist,
wobei ein maximaler Abstand des Reflektors (4) zur
Halbleiterschichtenfolge (2) höchstens 2 pm beträgt, und wobei die zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27) frei von dem Reflektor (4) ist.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine Gesamtdicke der Emittereinheit (1) höchstens ein Doppeltes einer Dicke eines n-leitenden Bereichs (21) der Halbleiterschichtenfolge (2) beträgt.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem nur die zur Strahlungsemission eingerichtete
Seitenfläche (27) mit einer Aufrauung (51) zur Erhöhung einer Lichtauskoppeleffizienz versehen ist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
das eine Vielzahl der Emittereinheiten (1) umfasst,
wobei die Emittereinheiten (1) gemeinsam eine Emissionsfläche (11) bilden, die aus den zur Strahlungsemission
eingerichtetem Seitenflächen (27) zusammengesetzt ist, und wobei die Emittereinheiten (1) in einer linearen oder in einer zweidimensionalen Anordnung vorliegen.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem benachbarte Emittereinheiten (1) an ihren
Hauptflächen (24, 25) und/oder zumindest an
gegenüberliegenden Seitenflächen (26), die nicht zur
Strahlungsemission vorgesehen sind, aufeinanderfolgend angeordnet sind.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
bei dem zumindest ein Teil der Emittereinheiten (1) über ihre Kontaktflächen (31, 32) unmittelbar mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Emittereinheiten (1) oder Gruppen von Emittereinheiten (1) elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sind,
wobei verschiedenfarbig emittierende Emittereinheiten (1) vorhanden sind.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
bei dem allen Emittereinheiten (1) gemeinsam an den nicht zur Strahlungsemission vorgesehenen Seitenflächen (26) zumindest ein Seitenteil (44) des Reflektors (4) angebracht ist, wobei das Seitenteil (44) diffus reflektierend und elektrisch isolierend ist.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine Anzahl (N) der Emittereinheiten (1) zwischen einschließlich 300 und 30.000 beträgt,
wobei eine Dicke (T) der Halbleiterschichtenfolge (2) zwischen den Hauptseiten (24, 25) zwischen einschließlich 1 gm und 6 gm liegt,
wobei eine Länge (L) der Halbleiterschichtenfolge (2) in Richtung senkrecht zu der Seitenfläche (27), die zur
Strahlungsemission eingerichtet ist, zwischen einschließlich 10 pm und 200 pm liegt, und
wobei eine Breite (W) der Halbleiterschichtenfolge (2) in Richtung parallel zu der Seitenfläche (27), die zur
Strahlungsemission eingerichtet ist, zwischen einschließlich 30 pm und 1 mm liegt und die Breite (W) größer ist als die Länge (L) .
11. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Reflektor (4) mindestens zum Teil ein metallischer Reflektor oder ein metallischer Reflektor in Kombination mit mindestens einer totalreflektierenden Schicht (34, 42) ist.
12. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem zumindest ein Seitenteil (44) des Reflektors (4), das sich an den nicht zur Strahlungsemission eingerichteten
Seitenflächen (26) der Halbleiterschichtenfolge (2) befindet, elektrisch von den Kontaktflächen (31, 32) getrennt ist.
13. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis 10,
bei dem zumindest ein Seitenteil (44) des Reflektors (4), das sich an den nicht zur Strahlungsemission eingerichteten
Seitenflächen (26) der Halbleiterschichtenfolge (2) befindet, elektrisch mit einer der Kontaktflächen (31, 32) verbunden ist .
14. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem sich zwischen der aktiven Zone (22) und dem Reflektor (4) nur eine elektrische Isolationsschicht (42) befindet.
15. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ferner umfassend mindestens einen Leuchtstoff (51) auf der zur Strahlungsemission eingerichtete Seitenfläche (27), wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) von mindestens einer Emittereinheit (1) auf AlInGaN basiert und zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet ist.
16. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) oder die Halbleiterschichtenfolge (2) zusammen mit den Kontaktflächen (31, 32) als Lichtleiter hin zu der Seitenfläche (27), die zur Strahlungsemission eingerichtet ist, gestaltet ist.
17. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem sich die Halbleiterschichtenfolge (2) in Richtung hin zu der Seitenfläche (27), die zur Strahlungsemission
eingerichtet ist, in Draufsicht auf eine der Hauptseiten (24, 25) und/oder im Querschnitt durch die Hauptseiten (24, 25) gesehen verjüngt.
18. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem sich die Emittereinheit (1) in einer Kavität (65) des Reflektors (4) befindet oder die Emittereinheiten (1) jeweils in einer eigenen Kavität (65) des Reflektors (4) angeordnet sind,
wobei sich die Kavität (65) oder die Kavitäten (65) in
Richtung hin zur zur Strahlungsemission eingerichtete
Seitenfläche (27) verbreitern.
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