WO2020193233A1 - Licht emittierendes halbleiterbauelement, verfahren zur herstellung eines licht emittierenden halbleiterbauelements und verwendung des licht emittierenden halbleiterbauelements - Google Patents

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    • H10H20/872—Periodic patterns for optical field-shaping, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR COMPONENT METHOD FOR MANUFACTURING A LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR COMPONENT, AND USE OF THE LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR COMPONENT
  • Light-emitting diode chips are usually mounted in a housing or on a carrier and covered with a plastic material.
  • the plastics commonly used for this purpose have a refractive index that decreases with increasing temperature.
  • silicone has a typical refractive index that decreases with increasing temperature.
  • Rate of change in the refractive index of about 4 * 10 4 / K which results in a reduction in the refractive index at a wavelength of 589 nm from about 1.41 at 25 ° C, i.e. room temperature, over 1.39 at 85 ° C to 1.37 at 150 ° C conditional. Since the inorganic materials of the light-emitting diode chip have higher refractive indices, but with a significantly lower temperature dependency, typically at least a factor of 10 lower, the interface between one thus changes
  • Plastic material depends on the temperature of the critical angle from which a total reflection at the interface
  • Light-emitting diode chips that have a fluorescent material
  • the scattering particles can change the radiation characteristics in an undesirable manner. This can lead to a problem, for example in the case of a lens arranged downstream of the plastic material with the scattering particles, since the
  • Beam characteristics and position of the associated light source depends, which in this case is influenced by the changed scattering.
  • At least one object of specific embodiments is to specify a light-emitting semiconductor component.
  • Objects of further embodiments are to a
  • a light has
  • Semiconductor component provided a light-emitting semiconductor chip.
  • the light-emitting semiconductor component is used in a method for operating the light-emitting semiconductor component.
  • the light-emitting semiconductor chip has in particular a semiconductor layer sequence with an active region
  • the active area can in particular have an active layer in which the light is generated during operation. If a wavelength of the light generated by the semiconductor layer sequence or by the light-emitting semiconductor chip is mentioned below, this refers to a wavelength, unless otherwise described
  • the characteristic wavelength of the light can denote the most intense wavelength of the spectrum of the generated light.
  • the characteristic wavelength can denote the most intense wavelength of the spectrum of the generated light.
  • characteristic wavelength also denote the mean wavelength of the spectral range in which the generated light lies. Furthermore, the characteristic wavelength can also be that of the individual spectral intensities
  • the semiconductor layer sequence can particularly preferably by means of an epitaxial method, for example by means of
  • MOVPE metal organic gas phase epitaxy
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • semiconductor layer sequence has semiconductor layers which are arranged one above the other along an arrangement direction in a vertical direction which is given by the growth direction. Perpendicular to the vertical
  • the light-emitting semiconductor chip can have a semiconductor layer sequence based on different semiconductor material systems, depending on the light to be emitted into the surroundings.
  • a semiconductor layer sequence based on In x Ga y Al xy As suitable for red to green radiation is for example a semiconductor layer sequence based on In x Ga y Al xy P and suitable for shorter wavelength visible
  • Radiation so in particular for green to blue radiation, and / or for UV radiation is for example one
  • the light-emitting semiconductor chip can have contact layers, by means of which, during operation, an electrical current for generating light is fed into the
  • Semiconductor layer sequence can be embossed.
  • further layers and elements can be present, for example a substrate on which the
  • the light-emitting semiconductor chip can be designed, for example, as a so-called volume emitter, as a thin-film semiconductor chip or as a flip chip. Construction, structure and
  • the semiconductor layer sequence has in particular a
  • Light decoupling surface via which the light generated during operation is decoupled from the semiconductor layer sequence in an adjacent material.
  • the light coupling-out surface can particularly preferably be a main surface of the Be semiconductor layer sequence on a light coupling-out side that is perpendicular to the direction of growth
  • Semiconductor layer sequence can be arranged with a main extension plane in the lateral direction. Furthermore, the semiconductor layer sequence can have a main surface and thus a rear side opposite the light coupling-out surface. The main surface and the rear side can be connected to one another via side surfaces that form the
  • the light-emitting semiconductor chip can be arranged, for example, on a carrier, with additional surfaces on the light coupling-out surface, the rear surface and / or the side surfaces
  • Layers can be present, for example, as described above, one or more passivation layers and / or one or more electrical contact layers.
  • a passivation layer can be applied to the light coupling-out side on the semiconductor layer sequence.
  • the light output surface is
  • the surface structure can thus be formed by a regular or irregular sequence of elevations and depressions in the light coupling-out surface.
  • Passivation layer this can be so thin that the passivation layer is essentially a
  • the surface structure follows in the semiconductor layer sequence and thus covers it conformally. Furthermore, it can also be possible that the surface structure is at least partially in the Passivation layer is formed.
  • the elevations and / or depressions can be the same or different and
  • Conical includes corresponding straight and inclined shapes with pointed, rounded and / or blunt tips.
  • Truncated cones are called it.
  • the surface structure can be produced, for example, by etching or mechanical roughening of the light coupling-out surface.
  • the coupling-out layer is directly adjacent to the light coupling-out surface, so that in operation in the
  • the coupling-out layer can be applied, for example, by means of a thin-film deposition method, particularly preferably by means of sputtering, vapor deposition or chemical means
  • the decoupling layer is particularly preferably designed in such a way that the decoupling layer projects beyond the surface structure.
  • the coupling-out layer has a thickness which is so great that the surface structure is completely covered by the coupling-out layer. The surface structure can thus through the Be planarized coupling-out layer, the
  • Decoupling layer preferably on one of the
  • the smooth surface can be produced by polishing after the coupling-out layer material has been applied.
  • the coupling-out layer can be any suitable material.
  • the coupling-out layer can be any suitable coupling-out layer.
  • the coupling-out layer can be any suitable coupling-out layer.
  • the light has
  • the cover material can be at least partially light-emitting
  • the cover material can in particular be in direct contact with at least part of the light-emitting semiconductor chip.
  • the cover material can be arranged on the transparent coupling-out layer of the light-emitting semiconductor chip. This can mean in particular that the cover material and thus the transparent plastic is arranged directly on the coupling-out layer, so that light generated in the semiconductor layer sequence during operation of the light-emitting semiconductor chip, which is transferred from the light-coupling surface into the
  • Decoupling layer is coupled in, at least via the side of the semiconductor layer sequence opposite
  • Decoupling layer can be coupled directly into the cover material. The coupling of light from the
  • Light outcoupling surface into the outcoupling layer and from the outcoupling layer into the cover material and thus into the Plastic of the cover material can depend on the
  • Wavelength of the light emitted by the light-emitting semiconductor chip or the light emitted by the light-emitting semiconductor component For example, for a white emitting
  • the characteristic wavelength are in the range of 550 nm.
  • Plastic of the cover material can be a
  • the first refractive index can have such a temperature dependency that the first
  • Refractive index becomes smaller with increasing temperature.
  • the plastic of the cover material can, for example, have or be composed of one or more of the following materials: siloxanes, epoxides, acrylates, methyl methacrylates, imides,
  • the plastic of the cover material is plastic of the cover material
  • Wavelength is, for example, siloxanes in conjunction with blue
  • plastics can thus be used which in conjunction with shorter-emitting semiconductor chips, for example blue-emitting
  • the coupling-out layer can have a second
  • the second refractive index can also have a temperature dependency, this temperature dependency being significantly smaller, for example smaller by at least a factor of 10, than that
  • the second refractive index changes less than the first when the temperature changes
  • the second refractive index can be similar, at least in terms of magnitude
  • the cover layer can in particular be an inorganic one
  • Cover layer have an oxide and / or fluoride, for example MgF2, S1O2 and / or Al2O3, or a glass or a combination thereof.
  • the cover material and the coupling-out layer are designed such that at Room temperature, the first refractive index is greater than the second refractive index.
  • the first and second refractive index can differ at room temperature by at least 1% based on the first refractive index. That can mean the difference between the first and the second
  • Refractive index divided by the first refractive index is greater than or equal to 1%.
  • the first and second refractive index can particularly preferably differ at room temperature by at least 2% or by at least 2.5% or by at least 3% based on the first refractive index.
  • first and second refractive index can differ by at least 0.01 or by at least 0.02 or by at least 0.03 or by at least 0.04.
  • Refractive index are effected.
  • the difference between the first refractive index and the second refractive index at room temperature may be greater than at a maximum operating temperature.
  • Operating temperature can, for example, be in a range of greater than or equal to 100 ° C. and less than or equal to 150 ° C. and correspond to the temperature that the light
  • the first and second refractive indices can preferably be at the maximum operating temperature im
  • the first refractive index can also be greater than the second refractive index at the maximum operating temperature
  • Difference between the first and second refractive index as described is smaller than at room temperature.
  • Temperature information can be in advance and in the following
  • the temperature of the coupling-out layer and of the cover material that is to say at least essentially the temperature at the light coupling-out surface.
  • the semiconductor component are thus preferably operated at a maximum operating temperature at which the first and second refractive index are essentially the same or the first refractive index is greater than the second at the maximum operating temperature
  • Decoupling layer has a smaller refractive index than that
  • the refractive index in particular in relation to the refractive index of the semiconductor layer sequence, changes the critical one
  • Refractive index can apply to the case of narrow-band light as well as to the case of broad-band light.
  • the refractive indices can preferably be optimized in relation to the characteristic wavelength, that is to say, for example, the spectral focus.
  • the characteristic wavelength that is to say, for example, the spectral focus.
  • Refractive indices are set such that
  • the refractive index of the cover material is less than that
  • Refractive index of the coupling-out layer is.
  • the material of the dielectric decoupling layer and the cover material so in particular the plastic of the cover material
  • first refractive indices ni and second refractive indices n2 and / or materials of the coupling-out layer can be advantageous in combination:
  • Outcoupling material with approximately n2 1.5, for example sputtered glass
  • Outcoupling material selected from a glass
  • dielectric decoupling material in the form of a glass or with or made of Al2O3, which with a second
  • Plastics with refractive indices of at least 1.55 can be with or made of silicones, i.e. polysiloxanes, with a high proportion of phenyl groups, and / or with or made of polymers with a high degree of filling of highly refractive nanoparticles that increase the refractive index without scattering
  • nanoparticles are preferably used that are very small, typically with a diameter or a grain size of less than or equal to 10 nm.
  • nanoparticles with or from one or more materials selected from ZrO 2, TiO 2, ZnSe, GaP and / or other materials can be used.
  • the absorption of light can play a role in the selection of the suitable material.
  • nanoparticles made of ZnSe and GaP can absorb blue light and thus be rather unsuitable in combination with blue-emitting semiconductor chips, while they are used for
  • Long-wave emitting semiconductor chips such as red or infrared emitting semiconductor chips can be used.
  • red or infrared emitting semiconductor chips can be used.
  • Nanoparticles made of ZrC> 2 with a refractive index of 2.15 for blue light and a diameter of less than 10 nm in an epoxy or silicone have a refractive index of
  • Covering material of up to 1.7 or even more. Depending on the material and degree of filling, it can be opened continuously
  • Adjust the refractive index until the maximum filling level is reached and the refractive index achieved can roughly correspond to the mean value of polymer and nanoparticle.
  • the cover material can form a functional element which is arranged above the light-emitting semiconductor chip and has a desired functionality.
  • the cover material can be potting, for example in a housing recess in which the light-emitting
  • Cover material also form an encapsulation, for example against harmful substances from the environment.
  • the cover material can be an optical one
  • the cover material can form a wavelength conversion layer and have at least one wavelength conversion substance in the plastic. Furthermore, it can also be possible for the cover material to be a connecting layer to one
  • Operating temperature can be the proportion of the
  • further layers and materials for producing a light-emitting semiconductor chip can be on and / or in the
  • Decoupling layer with or from a transparent material, in particular an inorganic material, are applied directly.
  • the coupling-out layer can preferably
  • a thickness that corresponds to at least one wavelength of the light generated during operation Project beyond the surface structure by at least a thickness that corresponds to at least one wavelength of the light generated during operation, for example a thickness of at least 500 nm. This can mean that immediately after the application of the material of the coupling-out layer, the lowest point on the side of the semiconductor layer sequence opposite
  • Material of the coupling-out layer is at least the thickness mentioned higher than the highest point of the
  • the cover material is applied to the light-emitting semiconductor chip and in particular to the coupling-out layer.
  • the cover material has at least one transparent plastic which, with regard to the coupling-out layer, is selected such that the cover material has a higher refractive index at room temperature.
  • the refractive indices of the coupling-out layer and of the cover material should, as described above, be selected in relation to the wavelength of the generated light in particular so that they are equal to or equal to at a maximum operating temperature
  • the refractive index of the cover material can also be greater than the refractive index of the coupling-out layer at the maximum operating temperature.
  • Light decoupling from the semiconductor layer sequence is given primarily by the refractive indices of the semiconductor layer sequence and the decoupling layer, which are more temperature-stable than a plastic material. Although the plastic with the high temperature dependency with regard to the refractive index is still present, it cannot cause total reflection that changes with temperature, since the
  • Decoupling layer is.
  • the cover material can be free of scattering particles or other scattering measures compared to the prior art.
  • Wavelength conversion element and the light-emitting semiconductor chip can be reduced and instead of a part of the plastic the coupling-out layer with a higher one
  • Thermal conductivity is present.
  • the thermal conductivity of the coupling-out layer can be in the range between 1 W / mK and 5 W / mK instead of 0.15 W / mK for silicone. This allows the so-called thermal quenching of the
  • Wavelength conversion element can be reduced, as a result of which the brightness stability as a function of the temperature for a light-emitting semiconductor component with what is known as downward conversion can be further improved.
  • the smaller amount of plastic material can also improve the service life, especially in the case of silicone, for example Silicones usually degrade over time. The less silicone there is, the less they play
  • the lower temperature of the wavelength conversion element can also reduce the aging of the silicone.
  • the semiconductor component described here can in particular be designed as one or more of the applications mentioned below or at least as part thereof.
  • one of the devices mentioned below can have at least one light-emitting semiconductor component.
  • the light-emitting diode For example, the light-emitting diode
  • Semiconductor component can be used in a headlight. When used in headlights
  • Wavelength conversion elements for example, the temperature dependence can be relatively strong. Since headlights are operated in a wide temperature range and are heavily used, this can be done here
  • the light-emitting semiconductor component can be used for lights for street lighting and / or greenhouse lighting.
  • a temperature-dependent color change can be disruptive
  • FIGS. 1A to IE are schematic representations of
  • Figures 2A and 2B are schematic representations of light
  • FIGS. 3A and 3B are schematic representations of a light
  • FIGS. 1A to IE show schematic representations of method steps of a method for producing a light-emitting semiconductor component 101 and the light-emitting semiconductor component 101 according to one
  • a light-emitting semiconductor chip 100 which is shown in FIG. ID, is provided by means of the method steps described in connection with FIGS. 1A to ID.
  • the semiconductor layer sequence 1 is produced in particular in the wafer assembly.
  • the semiconductor layer sequence 1 can be in the form of a plurality of
  • MOVPE metal-organic gas phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • Passivation layers are provided. Furthermore, the semiconductor layer sequence can also be applied to a carrier substrate
  • Such semiconductor chips which have a carrier substrate as the substrate instead of the growth substrate, can also be referred to as so-called thin-film semiconductor chips.
  • the semiconductor layer sequence 1 can, as in the general part
  • the semiconductor layer sequence 1 has a light coupling-out side with a light coupling-out surface 10 via which the im
  • Operation generated light from the semiconductor layer sequence 1 can be coupled out into an adjacent material.
  • the light decoupling surface 10 is particularly preferably a main surface of the semiconductor layer sequence 1, which can be arranged perpendicular to the growth direction of the semiconductor layer sequence with a main plane of extent in the lateral direction.
  • the light decoupling surface 10 has a surface structure 11.
  • the surface structure 11 can be formed by a regular or irregular sequence of elevations and depressions in the light coupling-out surface 10.
  • the elevations and / or depressions can be identical or different and, for example, at least partially pyramid-shaped and / or conical, as described in the general part. Purely by way of example is the surface structure 11 with a truncated pyramid or truncated cone
  • the surface structure 11 can be produced, for example, by etching or mechanical roughening of the light coupling-out surface.
  • Passivation layer (not shown) be applied.
  • the passivation layer can be, for example, with or made of S13N4.
  • the light coupling-out surface 10 of the semiconductor layer sequence 1 is formed by the passivation layer.
  • the passivation layer can be so thin that the passivation layer in the
  • Passivation layer is formed.
  • the wafer with the semiconductor layer sequence would now be singulated for the manufacture of light-emitting diode chips.
  • the semiconductor chips could then be mounted and contacted, for example, in a housing and would usually be with a
  • Plastic material typically silicone
  • plastic material are covered so that light generated in a light-emitting diode chip would be coupled out from the light coupling-out surface into the plastic material. Due to the high refractive index of the
  • Semiconductor material of the semiconductor layer sequence compared to the refractive index of the plastic material would be at the
  • the index of refraction of silicone decreases with increasing temperature, typically from 1.42 at 25 ° C to 1.38 at 125 ° C.
  • the refractive index of the semiconductor material changes by at least one order of magnitude less, in the case of GaN, for example, from 2.4 at 25 ° C. to more than 2.395 at 125 ° C.
  • the light extraction from the semiconductor material with a typical refractive index of about 3.5 into the silicone can be the essential limiting factor in terms of light extraction.
  • a higher refractive index silicone with a refractive index of 1.54 instead of 1.42 a higher refractive index silicone with a refractive index of 1.54 instead of 1.42, a
  • a brightness increase of around 10% can be achieved.
  • the temperature-dependent reduction in the refractive index of the silicone can result in a loss of brightness of around 3 to 5%.
  • the coupling-out layer 2 has a transparent dielectric material, in particular an inorganic material, which by means of a
  • the material of the coupling-out layer 2 has, in particular, a refractive index referred to here and below as the second refractive index, which at room temperature is lower than the refractive index of the semiconductor layer sequence 1. Furthermore, the material of the coupling-out layer 2 is made from a different material system than the semiconductor material
  • the material of the coupling-out layer 2 can be an oxide and / or fluoride
  • the coupling-out layer 2 can be a glass with a suitable one
  • Decoupling layer 2 can also be used, for example
  • Passivation layer act so that it can also be possible that no additional passivation layer is present on the light decoupling side.
  • the coupling-out layer 2 is applied with such a great thickness that the coupling-out layer 2, as can be seen in FIG. 1B, projects beyond the surface structure 11.
  • the coupling-out layer 2 has a thickness which is so great that the surface structure 11 completely from the
  • Decoupling layer 2 is covered. In terms of the vertical direction, the lowest point is that of the
  • Decoupling layer 2 particularly preferably higher
  • the coupling-out layer 2 can protrude beyond the surface structure 11 by a thickness that is at least as large as the wavelength of the light generated by the light-emitting semiconductor chip 100 during operation .
  • the coupling-out layer 2 can protrude beyond the surface structure 11 by a thickness that is at least as large as the wavelength of the light generated by the light-emitting semiconductor chip 100 during operation .
  • Outcoupling layer 2 protrude beyond the surface structure 11 by at least 500 nm.
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • the surface structure 11 can thus be planarized by the coupling-out layer 2, the coupling-out layer 2 on a side opposite the semiconductor layer sequence 1 and thus the light coupling-out surface 10 having the smooth surface 20
  • the coupling-out layer 2 After smoothing, the coupling-out layer 2 still has a certain thickness by which the coupling-out layer 2 projects beyond the surface structure 11, particularly preferably by one of the aforementioned values.
  • semiconductor chips 100 can be mounted and contacted in further method steps (not shown) on a carrier or in a housing.
  • a cover material 3 is applied at least partially to the mounted light-emitting semiconductor chip 100.
  • the covering material 3 is applied in particular to the surface 20 of the coupling-out layer 2.
  • the cover material 3 can also be possible for the cover material 3 to be additionally applied next to the semiconductor chip 100, that is to say in particular adjacent to its side surfaces.
  • the cover material 3 has a transparent plastic or is made of it. In the exemplary embodiment shown, the cover material 3 can in particular be potted and / or encapsulated
  • a molding process Element such as a lens for light emitting
  • the cover material 3 can be made of the transparent plastic or at least in
  • the cover material 3 can also be a
  • transparent plastic at least one
  • Wavelength conversion substance may be included, the
  • Semiconductor chip 100 can convert light generated during operation into light with a different wavelength.
  • the wavelength conversion layer can simultaneously form an encapsulation.
  • Plastic of the cover material 3 can comprise or be made from one or more of the following materials: siloxanes, epoxides, acrylates, methyl methacrylates, imides, carbonates, olefins, styrenes, urethanes or derivatives thereof in the form of monomers, oligomers or polymers and furthermore
  • Blends, copolymers, or compounds therewith are Blends, copolymers, or compounds therewith.
  • the plastic of the cover material 3 can be silicone, epoxy resin, polymethyl methacrylate (PMMA),
  • the light-emitting semiconductor component 101 can be completed.
  • further method steps can also be carried out to complete the semiconductor component 101 will.
  • a plurality of carriers or housings can be provided in a composite, for which the described steps are carried out in a composite.
  • FIGS. 2A and 2B show further exemplary embodiments of light-emitting semiconductor components 101, in which the cover material 3 each forms a connecting layer, in particular in the form of an adhesive layer, between the light-emitting semiconductor chip 100 and a further element.
  • a wavelength conversion element 4 for example, can be used as the connecting layer by means of the cover material 3
  • the wavelength conversion element 4 can be a separately produced element, for example in the form of a ceramic or plastic plate, which contains or is formed from at least one wavelength conversion material.
  • the optical element can also be an optical element 5, such as, for example, a lens, which by means of the
  • Decoupling layer 2 is attached.
  • the cover material 3 is arranged in particular in direct contact with the transparent coupling-out layer 2 of the light-emitting semiconductor chip 100. This can mean in particular that the cover material 3 and thus the transparent plastic directly on the
  • Light extraction surface 10 facing away from surface 20 of Decoupling layer 2 is arranged so that in the semiconductor layer sequence 1 during operation of the light-emitting semiconductor chip 100 light generated by the
  • Semiconductor layer sequence 1 opposite surface 20 of the coupling-out layer 2 can be coupled directly into the cover material 3.
  • the coupling of light from the light decoupling surface 10 into the decoupling layer 2 and from the decoupling layer 2 into the cover material 3 and thus into the plastic of the cover material 3 takes place depending on the respective refractive indices and refractive index differences, as described in more detail below in connection with Figures 3A and 3B is explained.
  • the light-emitting semiconductor component 101 in accordance with the exemplary embodiment in FIGS. 1A to IE is shown purely by way of example in FIGS. 3A and 3B. The following description applies equally to the other exemplary embodiments.
  • Plastic of the cover material 3 has a
  • the first refractive index has one of these
  • the coupling-out layer 2 has a second one
  • the second refractive index can also have a temperature dependence, this being the case
  • the second refractive index thus changes less strongly than the first refractive index when the temperature changes.
  • the second refractive index can be similar, at least in terms of magnitude
  • Decoupling layer 3 designed such that at
  • the first refractive index is greater than the second refractive index.
  • the first and second refractive index can differ at room temperature by at least 1% based on the first refractive index.
  • the first and second can be particularly preferred
  • the first and second refractive indices can differ by at least 0.01 or by at least 0.02 or by at least 0.03 or by at least 0.04 at room temperature.
  • a difference between the first and second refractive index can decrease. This can in particular be a consequence of the described different temperature dependencies of the first and second refractive index.
  • Refractive index must be greater at room temperature than at a maximum operating temperature.
  • Operating temperature can, for example, be in a range of greater than or equal to 100 ° C. and less than or equal to 150 ° C. and correspond to the temperature that the light
  • the first and second refractive indices can preferably be essentially the same at the maximum operating temperature, that is to say preferably by less or less equal to 0.5% or less than or equal to 0.1%, based on the first refractive index, differ from one another or also be essentially exactly the same.
  • the cover material 3 can have silicone as a transparent plastic, which at room temperature has a first refractive index of approximately 1.42 and at a maximum operating temperature of the light-emitting
  • the coupling-out layer 2 can be a
  • Operating temperature is at least substantially 1.38.
  • the coupling-out layer 2 has a second
  • Refractive index that is smaller than the refractive index of the semiconductor material of the semiconductor layer sequence 1.
  • MgF2 can be suitable for this.
  • Semiconductor layer sequence 1 can be based, for example, on an AlInGaN semiconductor material, wherein, for example, GaN can have a refractive index of approximately 2.4.
  • AlInGaN can have a refractive index of approximately 2.4.
  • other material combinations such as
  • the light-emitting semiconductor component 101 is indicated at room temperature, that is to say at a temperature of approximately 25 ° C.
  • the arrows indicate an exemplary light path from the active layer of the semiconductor layer sequence 1 through the coupling-out layer 2 into the cover material 3.
  • the light coupling from the Semiconductor layer sequence 1 in coupling-out layer 2 is critical from a certain point onwards due to the refractive indices described and the total reflection resulting therefrom
  • Light outcoupling efficiency from the semiconductor layer sequence 1 into the cover material 3 at room temperature be about 2 to 3% lower compared to a case in which none
  • Outcoupling layer 2 is present and the cover material is arranged directly on the light outcoupling surface 10.
  • the light-emitting semiconductor component 101 is shown at an operating temperature of approximately 125.degree.
  • the first refractive index is as described above in
  • Decoupling layer 2 is coupled.
  • a higher relative proportion of light from the decoupling layer 2 can effectively be coupled into the cover material 3 with increasing temperature, so that in the
  • Semiconductor component can thus be achieved that light that is coupled into the coupling-out layer, apart from the portion caused by Fresnel reflection, regardless of the
  • Is formed wavelength conversion layer it may additionally be necessary to consider the coupling of light from the cover material into the semiconductor layer sequence. With one directly on a LED chip without the
  • the coupling-out layer 2 can also have the helpful effect of stabilizing the color locus.
  • Wavelength conversion element are present which is glued to the light-emitting semiconductor chip 100 by means of the cover material 3 forming a connecting layer, as in connection with the exemplary embodiment in FIG. 2A
  • Covering material have an important influence on the color location, since the color location is different in the absence of the
  • the low-refractive-index dielectric decoupling layer 2 additionally present in the light-emitting semiconductor component 101 described here can, owing to the unchanged total reflection, the
  • the dashed line refers to a semiconductor component in accordance with an exemplary embodiment, while the solid line relates to a comparison component that essentially is structurally identical, but without a coupling-out layer.
  • the dashed lines are normalized to the solid lines.
  • Wavelength conversion element is formed.
  • the right diagram shows the relative radiant power of a light-emitting semiconductor component and a
  • the light-emitting semiconductor component according to the embodiment of Figure 2B is formed with a silicone lens glued on by means of the cover material as an optical element.
  • the light-emitting semiconductor chips are designed as blue-emitting InGaN chips.
  • the brightness of the light-emitting semiconductor component and the respective comparison component are essentially the same, so that the presence of the coupling-out layer affects the brightness at about 125 ° C has no significant influence.
  • Room temperature less light is coupled out of the light-emitting semiconductor component.
  • Decoupling layer the temperature stability of the respective brightness variable can be significantly improved without the brightness being reduced at the maximum operating temperature.
  • FIG. 4B the left and right diagrams each show the relative luminous flux of a light-emitting device
  • the respective light-emitting semiconductor chip is designed as a red-emitting AlInGaP chip with a wavelength of 612 nm (left diagram) or 634 nm (right diagram).
  • Has eye sensitivity and that is not compensated for can, and in part at an intensity loss up to a value of 50% or 88%, that is a loss of 50% or 12%, which can be reduced by means of the coupling-out layer.
  • the relative luminous flux can be reduced by around 5% at room temperature in both cases, so that this only results in a loss of 45% or 10%.
  • Operating temperature has a second refractive index which is smaller than the first refractive index of the cover material.
  • Embodiments are combined with one another, even if not all combinations are explicitly described.

Landscapes

  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

Es wird ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement (101) angegeben, das einen Licht emittierenden Halbleiterchip (100) mit einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer Lichtauskoppelfläche (10) und einer dielektrischen Auskoppelschicht (2) unmittelbar auf der Lichtauskoppelfläche und ein Abdeckmaterial (3) mit einem transparenten Kunststoff auf der Auskoppelschicht aufweist, wobei der transparente Kunststoff einen temperaturabhängigen ersten Brechungsindex und die Auskoppelschicht einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei bei Raumtemperatur der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist und wobei eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex bei Raumtemperatur größer ist als bei einer maximalen Betriebstemperatur. Weiterhin werden ein Verfahren zur Herstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements und eine Verwendung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements angegeben.

Description

Beschreibung
LICHT EMITTIERENDES HALBLEITERBAUELEMENT, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES LICHT EMITTIERENDEN HALBLEITERBAUELEMENTS UND VERWENDUNG DES LICHT EMITTIERENDEN HALBLEITERBAUELEMENTS
Es werden ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement, ein Verfahren zur Herstellung des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements und eine Verwendung des Licht
emittierenden Halbleiterbauelements angegeben.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2019 107 428.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Leuchtdiodenchips werden üblicherweise in einem Gehäuse oder auf einem Träger montiert und mit einem Kunststoffmaterial bedeckt. Übliche hierfür verwendete Kunststoffe weisen einen Brechungsindex auf, der sich mit steigender Temperatur verringert. Beispielsweise weist Silikon eine typische
Änderungsrate des Brechungsindex von etwa 4*104/K auf, was eine Reduktion des Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 589 nm von etwa 1,41 bei 25°C, also Raumtemperatur, über 1,39 bei 85°C auf 1,37 bei 150°C bedingt. Da die anorganischen Materialien des Leuchtdiodenchips höhere Brechungsindizes, aber mit einer deutlich geringeren Temperaturabhängigkeit von typischer um mindestens einen Faktor 10 geringer aufweisen, ändert sich somit an der Grenzfläche zwischen einem
Leuchtdiodenchip und einem an den Chip angrenzenden
Kunststoffmaterial abhängig von der Temperatur der kritische Winkel, ab dem eine Totalreflexion an der Grenzfläche
stattfindet. Insbesondere vergrößert sich aufgrund des mit steigender Temperatur kleiner werdenden Brechungsindex des Kunststoffmaterials der Anteil von Licht, der
totalreflektiert wird, was zu einer geringeren
Lichtauskopplung vom Leuchtdiodenchip in den Kunststoff führt. Dieses Problem existiert für Leuchtdiodenchips, die mit einem Klarverguss umgeben sind, genauso wie für
Leuchtdiodenchips, die mit einem einen Leuchtstoff
enthaltenden Kunststoff umgeben sind.
Um dieses Problem zu mindern, ist es beispielsweise bekannt, dem Kunststoffmaterial Streupartikel, beispielsweise aus Glas, Siliziumdioxid oder Titandioxid, zuzugeben, die einen vom Kunststoffmaterial verschiedenen Brechungsindex
aufweisen. Der Brechungsindexunterschied zwischen dem
Kunststoffmaterial und den Streupartikeln ändert sich
abhängig von der Temperatur aufgrund der beschriebenen großen Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des
Kunststoffmaterials, so dass sich auch der Streugrad einer solchen Streuschicht mit der Temperatur ändert, wodurch die sich reduzierende Extraktionseffizient vom Leuchtdiodenchip in das Kunststoffmaterial teilweise ausgeglichen werden kann. Um jedoch einen ausreichend hohen Streugrad zu erreichen, ist eine bestimmte Mindestmenge von Streupartikeln notwendig, so dass es beispielsweise kaum möglich ist, den gewünschten Effekt in dünnen Kunststoffschichten zu realisieren.
Weiterhin können die Streupartikel die Abstrahlcharakteristik in unerwünschter Weise verändern. Dies kann beispielsweise im Fall einer dem Kunststoffmaterial mit den Streupartikeln nachgeordneten Linse zu einem Problem führen, da die
Abstrahlcharakteristik einer Linse stark von der
Strahlcharakteristik und Position der zugehörigen Lichtquelle abhängt, die in diesem Fall durch die veränderte Streuung beeinflusst wird. Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement anzugeben. Aufgaben von weiteren Ausführungsformen sind es, ein
Verfahren zur Herstellung und eine Verwendung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände gemäß den
unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Licht
emittierendes Halbleiterbauelement einen Licht emittierenden Halbleiterchip auf.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform wird in einem Verfahren zur Herstellung des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements ein Licht emittierender Halbleiterchip bereitgestellt.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform wird das Licht emittierende Halbleiterbauelement beim einem Verfahren zum Betrieb des Licht emittierenden Halbleiterbauelements verwendet .
Die nachfolgenden Ausführungsformen und Merkmale beziehen sich gleichermaßen auf das Licht emittierende
Halbleiterbauelement, das Verfahren zur Herstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements und die Verwendung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements. Der Licht emittierende Halbleiterchip weist insbesondere eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich zur
Erzeugung von Licht auf. Der aktive Bereich kann insbesondere eine aktive Schicht aufweisen, in der im Betrieb das Licht erzeugt wird. Sofern im Folgenden von einer Wellenlänge des von der Halbleiterschichtenfolge oder vom Licht emittierenden Halbleiterchip erzeugten Lichts die Rede ist, bezieht sich dies, wenn nicht anders beschrieben, auf eine
charakteristische Wellenlänge des Lichts, besonders bevorzugt im betreffenden Material. Die charakteristische Wellenlänge kann dabei die intensitätsstärkste Wellenlänge des Spektrums des erzeugten Lichts bezeichnen. Alternativ kann die
charakteristische Wellenlänge auch die mittlere Wellenlänge des Spektralbereichs, in dem das erzeugte Licht liegt, bezeichnen. Weiterhin kann die charakteristische Wellenlänge auch die über die einzelnen spektralen Intensitäten
gewichtete mittlere Wellenlänge des Spektrums des erzeugten Lichts bezeichnen.
Besonders bevorzugt kann die Halbleiterschichtenfolge mittels eines Epitaxieverfahrens, beispielsweise mittels
metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder
Molekularstrahlepitaxie (MBE) , hergestellt werden. Die
Halbleiterschichtenfolge weist hierdurch Halbleiterschichten auf, die entlang einer Anordnungsrichtung in einer vertikalen Richtung, die durch die Aufwachsrichtung gegeben ist, übereinander angeordnet sind. Senkrecht zur vertikalen
Richtung weisen die Schichten der Halbleiterschichtenfolge jeweils eine Haupterstreckungsebene auf. Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten werden im Folgenden als laterale Richtungen bezeichnet. Der Licht emittierende Halbleiterchip kann je nach in die Umgebung abzustrahlendem Licht eine Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von verschiedenen Halbleitermaterialsystemen aufweisen. Für eine langwellige, infrarote bis rote Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InxGayAli-x-yAs geeignet, für rote bis grüne Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InxGayAli-x-yP geeignet und für kurzwelligere sichtbare
Strahlung, also insbesondere für grüne bis blaue Strahlung, und/oder für UV-Strahlung ist beispielsweise eine
Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InxGayAli-x-yN geeignet, wobei jeweils 0 < x < 1 und 0 < y < 1 gilt. Zur elektrischen Kontaktierung kann der Licht emittierende Halbleiterchip Kontaktschichten aufweisen, mittels derer im Betrieb ein elektrischer Strom zur Lichterzeugung in die
Halbleiterschichtenfolge eingeprägt werden kann. Darüber hinaus können weitere Schichten und Elemente vorhanden sein, beispielsweise ein Substrat, auf dem die
Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen oder nach dem
Aufwachsen durch Übertragung aufgebracht ist,
Passivierungsschichten und/oder Spiegelschichten. Der Licht emittierende Halbleiterchip kann beispielsweise als so genannter Volumenemitter, als Dünnfilmhalbleiterchip oder als Flip-Chip ausgebildet sein. Aufbau, Struktur und
Funktionsweise von Licht emittierenden Halbleiterchips sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Die Halbleiterschichtenfolge weist insbesondere eine
Lichtauskoppelfläche auf, über die das im Betrieb erzeugte Licht aus der Halbleiterschichtenfolge in ein angrenzendes Material ausgekoppelt wird. Die Lichtauskoppelfläche kann besonders bevorzugt eine Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge auf einer Lichtauskoppelseite sein, die senkrecht zur Aufwachsrichtung der
Halbleiterschichtenfolge mit einer Haupterstreckungsebene in lateraler Richtung angeordnet sein kann. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge eine der Hauptoberfläche und damit eine der Lichtauskoppelflache gegenüber liegende Rückseite aufweisen. Die Hauptoberfläche und die Rückseite können über Seitenflächen miteinander verbunden sein, die die
Halbleiterschichtenfolge in lateraler Richtung begrenzen. Mit der Rückseitenfläche oder einer der Seitenflächen kann der Licht emittierende Halbleiterchip beispielsweise auf einem Träger angeordnet werden, wobei auf der Lichtauskoppelfläche, der Rückseitenfläche und/oder den Seitenflächen weitere
Schichten vorhanden sein können, beispielsweise wie vorab beschrieben eine oder mehrere Passivierungsschichten und/oder eine oder mehrere elektrische Kontaktschichten .
Beispielsweise kann auf der Halbleiterschichtenfolge eine Passivierungsschicht auf der Lichtauskoppelseite aufgebracht sein. In diesem Fall wird die Lichtauskoppelfläche der
Halbleiterschichtenfolge durch die Passivierungsschicht gebildet .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Lichtauskoppelfläche eine Oberflächenstruktur auf. Die
Oberflächenstruktur kann somit durch eine regelmäßige oder unregelmäßige Abfolge von Erhebungen und Vertiefungen in der Lichtauskoppelfläche gebildet sein. Weist die
Halbleiterschichtenfolge wie vorab beschrieben eine
Passivierungsschicht auf, kann diese derart dünn sein, dass die Passivierungsschicht im Wesentlichen einer
Oberflächenstruktur in der Halbleiterschichtenfolge folgt und diese somit konform bedeckt. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die Oberflächenstruktur zumindest teilweise in der Passivierungsschicht ausgebildet ist. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können gleich oder verschieden sein und
beispielsweise zumindest teilweise pyramidenförmig mit einem regelmäßigen oder unregelmäßigen dreieckigen, viereckigen, sechseckigen oder anderen polygonalen Grundquerschnitt und/oder kegelförmig mit einem runden Grundquerschnitt ausgebildet sein. Die Begriffe „pyramidenförmig" und
„kegelförmig" schließen entsprechende gerade und schiefe Formen mit spitzen, abgerundeten und/oder stumpfen Spitzen ein. Insbesondere können auch Pyramiden- und/oder
Kegelstümpfe damit bezeichnet werden. Die Oberflächenstruktur kann beispielsweise durch Ätzen oder mechanisches Aufrauen der Lichtauskoppelfläche herstellbar sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Licht
emittierende Halbleiterchip unmittelbar auf der
Lichtauskoppelfläche eine dielektrische Auskoppelschicht auf. Mit anderen Worten grenzt die Auskoppelschicht direkt an die Lichtauskoppelfläche an, so dass im Betrieb in der
Halbleiterschichtenfolge erzeugtes Licht durch die
Lichtauskoppelfläche in die Auskoppelschicht eingekoppelt wird. Die Auskoppelschicht kann beispielsweise mittels einer Dünnschicht-Abscheidemethode aufgebracht werden, besonders bevorzugt mittels Sputtern, Aufdampfen oder chemischer
Gasphasenabscheidung .
Weist die Lichtauskoppelfläche wie vorab beschrieben eine Oberflächenstruktur auf, ist die Auskoppelschicht besonders bevorzugt derart ausgebildet, dass die Auskoppelschicht die Oberflächenstruktur überragt. Mit anderen Worten weist die Auskoppelschicht eine Dicke auf, die so groß ist, dass die Oberflächenstruktur vollständig von der Auskoppelschicht bedeckt ist. Die Oberflächenstruktur kann somit durch die Auskoppelschicht planarisiert sein, wobei die
Auskoppelschicht bevorzugt auf einer der
Halbleiterschichtenfolge und damit der Lichtauskoppelflache gegenüber liegenden Seite eine glatte Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann die glatte Oberfläche durch Polieren nach dem Aufbringen des Auskoppelschichtmaterials erzeugt werden. Besonders bevorzugt kann die Auskoppelschicht die
Oberflächenstruktur um eine Dicke überragen, die mindestens so groß wie die Wellenlänge eines vom Licht emittierenden Halbleiterchip im Betrieb erzeugten Lichts ist.
Beispielsweise kann die Auskoppelschicht die
Oberflächenstruktur um mindestens 500 nm überragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Licht
emittierende Halbleiterbauelement ein Abdeckmaterial mit einem transparenten Kunststoff auf. Das Abdeckmaterial kann zumindest teilweise auf dem Licht emittierenden
Halbleiterchip aufgebracht sein. Das Abdeckmaterial kann insbesondere in direktem Kontakt mit zumindest einem Teil des Licht emittierenden Halbleiterchips stehen. Insbesondere kann das Abdeckmaterial auf der transparenten Auskoppelschicht des Licht emittierenden Halbleiterchips angeordnet sein. Das kann insbesondere bedeuten, dass das Abdeckmaterial und damit der transparente Kunststoff unmittelbar auf der Auskoppelschicht angeordnet ist, so dass in der Halbleiterschichtenfolge im Betrieb des Licht emittierenden Halbleiterchips erzeugtes Licht, das von der Lichtauskoppelfläche in die
Auskoppelschicht eingekoppelt wird, zumindest über die der Halbleiterschichtenfolge gegenüber liegende Seite der
Auskoppelschicht direkt in das Abdeckmaterial eingekoppelt werden kann. Die Einkopplung von Licht von der
Lichtauskoppelfläche in die Auskoppelschicht und von der Auskoppelschicht in das Abdeckmaterial und damit in den Kunststoff des Abdeckmaterials kann abhängig von den
jeweiligen Brechungsindices und Brechungsindexunterschieden erfolgen. Aufgrund einer möglichen Wellenlängenabhängigkeit von Brechungsindices, also einer Dispersion, die für
unterschiedliche Materialien unterschiedlich sein kann, beziehen sich hier und im Folgenden, sofern nicht anders angegeben, die Angaben von Brechungsindices und
Brechungsindexunterschieden auf die charakteristische
Wellenlänge des vom Licht emittierenden Halbleiterchip oder der vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement emittierten Licht. Beispielsweise kann für ein weiß emittierendes
Halbleiterbauelement die charakteristische Wellenlänge im Bereich von 550 nm liegen.
Das Abdeckmaterial und insbesondere der transparente
Kunststoff des Abdeckmaterials kann einen
temperaturabhängigen ersten Brechungsindex aufweisen.
Insbesondere kann der erste Brechungsindex eine derartige Temperaturabhängigkeit aufweisen, dass der erste
Brechungsindex mit steigender Temperatur kleiner wird.
Das Abdeckmaterial und insbesondere der transparente
Kunststoff des Abdeckmaterials kann beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder daraus sein: Siloxane, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide,
Carbonate, Olefine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit.
Beispielsweise kann der Kunststoff des Abdeckmaterials
Silikon, Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA) ,
Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan oder
Mischungen oder Hybridmaterialien daraus aufweisen oder sein. Besonders bevorzugt können zumindest für bestimmte Anwendungen Siloxane oder Epoxide sein. Beispielsweise kann ein Kunststoff bevorzugt sein, wenn er nicht absorbierend bei der vom Licht emittierenden Halbleiterchip erzeugten
Wellenlänge ist, etwa Siloxane in Verbindung mit blau
emittierenden Halbleiterchips. In Verbindung mit längerwellig emittierenden Halbleiterchips, beispielsweise rot
emittierenden Halbleiterchips, können somit Kunststoffe verwendet werden, die in Verbindung mit kürzer emittierenden Halbleiterchips, beispielsweise blau emittierenden
Halbleiterchips aus Absorptionsgründen nicht verwendet werden können .
Weiterhin kann die Auskoppelschicht einen zweiten
Brechungsindex aufweisen. Der zweite Brechungsindex kann ebenfalls eine Temperaturabhängigkeit aufweisen, wobei diese Temperaturabhängigkeit wesentlich kleiner, beispielsweise um mindestens einen Faktor 10 kleiner, als die
Temperaturabhängigkeit des ersten Brechungsindex ist. Mit anderen Worten ändert sich der zweite Brechungsindex bei sich ändernder Temperatur weniger stark als der erste
Brechungsindex. Insbesondere kann der zweite Brechungsindex zumindest in Bezug auf die Größenordnung eine ähnliche
Temperaturabhängigkeit aufweisen wie die Brechungsindices des Halbleitermaterials der Halbleiterschichtenfolge.
Die Abdeckschicht kann insbesondere ein anorganisches
Material aufweisen. Besonders bevorzugt kann die
Abdeckschicht ein Oxid und/oder Fluorid, beispielsweise MgF2, S1O2 und/oder AI2O3, oder ein Glas oder eine Kombination daraus aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das Abdeckmaterial und die Auskoppelschicht derart ausgebildet, dass bei Raumtemperatur der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist. Beispielsweise können sich der erste und zweite Brechungsindex bei Raumtemperatur um mindestens 1% bezogen auf den ersten Brechungsindex unterscheiden. Das kann bedeuten, dass die Differenz des ersten und zweiten
Brechungsindex, dividiert durch den ersten Brechungsindex, größer oder gleich 1% ist. Besonders bevorzugt können sich der erste und zweite Brechungsindex bei Raumtemperatur um mindestens 2% oder um mindestens 2,5% oder um mindestens 3% bezogen auf den ersten Brechungsindex unterscheiden.
Weiterhin können sich der erste und zweite Brechungsindex um mindestens 0,01 oder um mindestens 0,02 oder um mindestens 0,03 oder um mindestens 0,04 unterscheiden.
Mit steigender Temperatur kann eine Differenz zwischen dem ersten und zweiten Brechungsindex abnehmen. Dies kann
insbesondere durch die beschriebenen unterschiedlichen
Temperaturabhängigkeiten des ersten und zweiten
Brechungsindex bewirkt werden. Insbesondere kann die
Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex bei Raumtemperatur größer als bei einer maximalen Betriebstemperatur sein. Die maximale
Betriebstemperatur kann beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 100°C und kleiner oder gleich 150°C liegen und derjenigen Temperatur entsprechen, die der Licht
emittierende Halbleiterchip im Licht emittierenden
Halbleiterbauelement üblicherweise im Betrieb aufweist oder bis zu der das Licht emittierende Halbleiterbauelement spezifiziert ist. Der erste und zweite Brechungsindex können bevorzugt bei der maximalen Betriebstemperatur im
Wesentlichen gleich sein, also bevorzugt um kleiner oder gleich 0,5% oder um kleiner oder gleich 0,1%, bezogen auf den ersten Brechungsindex, voneinander abweichen oder auch im Wesentlichen genau gleich sein. Alternativ kann der erste Brechungsindex bei der maximalen Betriebstemperatur auch größer als der zweite Brechungsindex sein, wobei der
Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Brechungsindex wie beschrieben kleiner als bei Raumtemperatur ist. Bei
Temperaturangaben kann es sich vorab und im Folgenden
bevorzugt um die Temperatur der Auskoppelschicht und des Abdeckmaterials handeln, also zumindest im Wesentlichen um die Temperatur an der Lichtauskoppelflache .
Insbesondere kann bei einer Verwendung des Licht
emittierenden Halbleiterbauelements bei einem Verfahren zum Betrieb des Halbleiterbauelements das Halbleiterbauelement bevorzugt somit bei einer maximalen Betriebstemperatur betrieben werden, bei der der erste und zweite Brechungsindex im Wesentlichen gleich sind oder der erste Brechungsindex bei der maximalen Betriebstemperatur größer als der zweite
Brechungsindex ist.
Im Hinblick auf übliche Halbleitermaterialien weist die
Auskoppelschicht einen kleineren Brechungsindex als die
Halbleiterschichtenfolge auf, so dass an der Grenzfläche zwischen der Lichtauskoppelflache und der Auskoppelschicht ab einem kritischen Winkel Totalreflexion stattfindet. Aufgrund der geringen Temperaturabhängigkeit des zweiten
Brechungsindex, insbesondere im Verhältnis zum Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge, ändert sich der kritische
Winkel und damit der Grad der Totalreflexion nicht oder nur unwesentlich mit einer sich ändernden Temperatur. Bei
Raumtemperatur findet an der Grenzfläche zwischen der
Auskoppelschicht und dem Abdeckmaterial aufgrund des im
Vergleich zum zweiten Brechungsindex größeren ersten
Brechungsindex eine Fresnel-Reflexion statt, die mit steigender Temperatur und damit kleiner werdendem ersten Brechungsindex geringer wird. Im Fall, dass bei der maximalen Betriebstemperatur der erste und zweite Brechungsindex gleich sind, kann die Fresnel-Reflexion sogar ganz verschwinden. Dadurch kann mit steigender Temperatur effektiv mehr Licht von der Auskoppelschicht in das Abdeckmaterial eingekoppelt werden, so dass im Vergleich zu oben beschriebenen üblichen Licht emittierenden Leuchtdiodenchips mit angrenzendem
Kunststoffmaterial ein gegenläufiger Effekt erzielt werden kann .
Die beschriebenen Beziehungen des ersten und zweiten
Brechungsindex können für den Fall von schmalbandigem Licht als auch für den Fall von breitbandigem Licht gelten. Bei breitbandigem Licht, beispielsweise weißem Licht, können die Brechungsindices bevorzugt in Bezug auf die charakteristische Wellenlänge, also beispielsweise den spektralen Schwerpunkt, optimiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die
Brechungsindices derart eingestellt werden, dass
sichergestellt ist, dass für keine Wellenlänge des
emittierten Spektrums und für keine Temperatur, bei der das Licht emittierende Halbleiterbauelement betrieben wird, der Brechungsindex des Abdeckmaterials kleiner als der
Brechungsindex der Auskoppelschicht ist. In besondere Fällen, wenn sich die Dispersion des Abdeckmaterials und die
Dispersion der Auskoppelschicht sehr deutlich unterscheiden, könnte insbesondere die letztgenannte Alternative vorteilhaft sein, um Totalreflektion bei gewissen Wellenlängen zu
vermeiden .
Das Material der dielektrischen Auskoppelschicht und das Abdeckmaterial, also insbesondere der Kunststoff des
Abdeckmaterials, sind somit bevorzugt derart auszuwählen, dass die beschriebenen Brechungsindexverhältnisse erfüllt sind. Beispielsweise können folgende erste Brechungsindices ni und zweite Brechungsindices n2 und/oder Materialien der Auskoppelschicht in Kombination vorteilhaft sein:
- für Kunststoffe in einem Bereich mit 1,41 < ni < 1,43,
beispielsweise mit oder aus Silikonen mit ausschließlich oder überwiegend Methylgruppen, ein dielektrisches
Auskoppelmaterial mit n2 = 1,38, beispielsweise MgF2,·
- für Kunststoffe in einem Bereich mit etwa 1,49 < ni < 1,51, beispielsweise mit oder aus Silikonen mit Methyl- und Phenylgruppen, ein dielektrisches Auskoppelmaterial mit etwa n2 = 1,46, beispielsweise S1O2;
- für Kunststoffe mit ni im Bereich von etwa 1,55,
beispielsweise mit oder aus Silikonen mit einem hohen Anteil an Phenylgruppen, ein dielektrisches
Auskoppelmaterial mit etwa n2 = 1,5, beispielsweise gesputtertes Glas;
- für Kunststoffe mit etwa 1,55 < ni < 1,7 ein dielektrisches
Auskoppelmaterial ausgewählt aus einem Glas;
- für Kunststoffe mit ni im Bereich von etwa 1,7 ein
dielektrisches Auskoppelmaterial in Form eines Glases oder mit oder aus AI2O3, das mit einem zweiten
Brechungsindex von bis zu etwa n2 = 1,65 abhängig von den Aufbringkonditionen hergestellt werden kann.
Kunststoffe mit Brechungsindices von mindestens 1,55 können mit oder aus Silikonen, also Polysiloxanen, mit einem hohem Anteil an Phenylgruppen sein, und/oder mit oder aus Polymeren mit einem hohen Füllgrad von hochbrechenden Nanopartikeln, die den Brechungsindex erhöhen ohne eine Streuung zu
verursachen. Hierfür werden bevorzugt Nanopartikel verwendet, die sehr klein sind, typischerweise mit einem Durchmesser oder einer Korngröße von kleiner oder gleich 10 nm. Insbesondere können Nanopartikel mit oder aus einem oder mehreren Materialien ausgewählt aus Zr02, Ti02, ZnSe, GaP und/oder anderen Materialien verwendet werden. Auch in Bezug auf die Nanopartikel kann die Absorption von Licht eine Rolle in der Auswahl des geeigneten Materials spielen. So können beispielsweise Nanopartikel aus ZnSe und aus GaP blaues Licht absorbieren und damit in Kombination mit blau emittierenden Halbleiterchips eher ungeeignet sein, während sie für
längerwellig emittierende Halbleiterchips wie beispielsweise rot oder infrarot emittierende Halbleiterchips verwendet werden können. Beispielsweise kann es möglich sein, mit
Nanopartikeln aus ZrC>2 mit einem Brechungsindex von 2.15 für blaues Licht und einem Durchmesser von weniger als 10 nm in einem Epoxid oder Silikon einen Brechungsindex des
Abdeckmaterials von bis zu 1,7 oder sogar mehr zu erreichen. Je nach Material und Füllgrad lässt sich stufenlos ein
Brechungsindex einstellen, bis der maximale Füllgrad erreicht ist, und der erreichte Brechungsindex ungefähr dem Mittelwert von Polymer und Nanopartikel entsprechen kann.
Das Abdeckmaterial kann ein Funktionselement bilden, das über dem Licht emittierenden Halbleiterchip angeordnet ist und eine gewünschte Funktionalität aufweist. Beispielsweise kann das Abdeckmaterial ein Verguss sein, beispielsweise in einer Gehäusevertiefung, in der der Licht emittierende
Halbleiterchip montiert ist. Beispielsweise kann das
Abdeckmaterial auch eine Verkapselung, beispielsweise gegen schädigende Stoffe aus der Umgebung, bilden. Alternativ oder zusätzlich kann das Abdeckmaterial eine optische
Funktionalität bereitstellen . Beispielsweise kann das
Abdeckmaterial als optisches Element wie eine Linse
ausgeformt sein, die unmittelbar auf dem Licht emittierenden Halbleiterchip und insbesondere unmittelbar auf der Auskoppelschicht angeordnet ist. Darüber hinaus kann das Abdeckmaterial eine Wellenlängenkonversionsschicht bilden und im Kunststoff zumindest einen Wellenlängenkonversionsstoff aufweisen. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass das Abdeckmaterial eine Verbindungsschicht zu einem
Wellenlängenkonversionselement oder einem optischen Element wie einer Linse bildet. Entsprechend der gewünschten
Funktionalität kann das Abdeckmaterial zusätzlich zum
transparenten Kunststoff noch weitere Materialien enthalten.
Bei dem hier beschriebenen Licht emittierenden
Halbleiterbauelement wird somit die Änderung des
Brechungsindex des Abdeckmaterials und insbesondere des Kunststoffs des Abdeckmaterials im Verhältnis zum
Brechungsindex der Auskoppelschicht genutzt, um in
Abhängigkeit von der Temperatur des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements, die insbesondere die
Betriebstemperatur sein kann, den Anteil des in das
Abdeckmaterial eingekoppelten Lichts in gewünschter Weise zu variieren. Insbesondere kann erreicht werden, dass die temperaturabhängige Änderung des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichts reduziert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann zur
Herstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements eine vorab beschriebene Halbleiterschichtenfolge
bereitgestellt werden, die besonders bevorzugt eine
Oberflächenstruktur, insbesondere eine Aufrauhung, auf der Lichtauskoppelfläche aufweist. Darüber hinaus können noch weitere Schichten und Materialien zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterchips an und/oder in der
Halbleiterschichtenfolge vorhanden sein. Auf der Lichtauskoppelflache kann eine dielektrische
Auskoppelschicht mit oder aus einem transparenten Material, insbesondere einem anorganischen Material, direkt aufgebracht werden. Bevorzugt kann die Auskoppelschicht die
Oberflächenstruktur um mindestens eine Dicke überragen, die mindestens einer Wellenlänge des im Betrieb erzeugten Lichts entspricht, beispielsweise einer Dicke von mindestens 500 nm. Das kann bedeuten, dass unmittelbar nach dem Aufbringen des Materials der Auskoppelschicht der niedrigste Punkt der der Halbleiterschichtenfolge gegenüber liegenden Seite des
Materials der Auskoppelschicht um mindestens die genannte Dicke höher liegt als der höchste Punkt der
Lichtauskoppelfläche . Durch Polieren kann die der
Halbleiterschichtenfolge gegenüber liegende Seite geglättet werden, so dass die Auskoppelschicht der Lichtauskoppelfläche gegenüber liegend eine glatte Oberfläche aufweist.
Auf den Licht emittierenden Halbleiterchip und insbesondere auf die Auskoppelschicht wird das Abdeckmaterial aufgebracht. Das Abdeckmaterial weist wie vorab beschrieben zumindest einen transparenten Kunststoff auf, der im Hinblick auf die Auskoppelschicht derart gewählt ist, dass das Abdeckmaterial bei Raumtemperatur einen höheren Brechungsindex aufweist. Die Brechungsindices der Auskoppelschicht und des Abdeckmaterials sollten wie oben beschrieben in Bezug auf die Wellenlänge des erzeugten Lichts insbesondere so gewählt werden, dass sie bei einer maximalen Betriebstemperatur gleich oder im
Wesentlichen gleich sind. Alternativ kann der Brechungsindex des Abdeckmaterials auch bei der maximalen Betriebstemperatur noch größer als der Brechungsindex der Auskoppelschicht sein.
Ein Vorteil des hier beschriebenen Halbleiterbauelements kann darin liegen, dass bei Temperaturänderungen die Lichtemission im Hinblick auf die Helligkeit und die Farbe stabiler ist als im Fall eines herkömmlichen vergleichbaren
Halbleiterbauelements ohne die Auskoppelschicht, da die
Lichtauskopplung aus der Halbleiterschichtenfolge primär durch die Brechungsindices der Halbleiterschichtenfolge und der Auskoppelschicht gegeben ist, die temperaturstabiler als ein Kunststoffmaterial sind. Obwohl der Kunststoff mit der hohen Temperaturabhängigkeit in Bezug auf den Brechungsindex immer noch vorhanden ist, kann dieser keine sich mit der Temperatur verändernde Totalreflektion bewirken, da der
Brechungsindex des Abdeckmaterials größer als der der
Auskoppelschicht ist. Insbesondere kann das Abdeckmaterial aufgrund der beschriebenen Wirkung in Kombination mit der Auskoppelschicht im Vergleich zum Stand der Technik frei von Streupartikeln oder sonstigen Streumaßnahmen sein.
Ein weiterer Vorteil kann in einer verbesserten
Wärmeableitung aus einem Wellenlängenkonversionselement liegen, da die Menge an Kunststoff einer Verbindungsschicht, beispielsweise aus Silikon, zwischen dem
Wellenlängenkonversionselement und dem Licht emittierenden Halbleiterchip reduziert werden kann und anstelle eines Teils des Kunststoffs die Auskoppelschicht mit einer höheren
Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit der Auskoppelschicht im Bereich zwischen 1 W/mK und 5 W/mK anstelle von 0,15 W/mK für Silikon liegen. Dadurch kann das sogenannte thermische Quenchen des
Wellenlängenkonversionselements reduziert werden, wodurch die Helligkeitsstabilität in Abhängigkeit von der Temperatur für ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit sogenannter Abwärtskonversion weiter verbessert werden kann. Die kleinere Menge an Kunststoffmaterial kann beispielsweise insbesondere im Fall von Silikon außerdem die Lebensdauer verbessern, da Silikone üblicherweise mit der Zeit degradieren. Je weniger Silikon vorhanden ist, desto weniger spielen solche
Alterungseffekte eine Rolle. Durch die niedrigere Temperatur des Wellenlängenkonversionselements kann zusätzlich eine Alterung des Silikons reduziert werden.
Das hier beschriebene Halbleiterbauelement kann insbesondere als eine oder mehrere der im Folgenden genannten Anwendungen oder zumindest als Teil davon ausgebildet sein. Insbesondere kann eine der im Folgenden genannten Vorrichtungen zumindest ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement aufweisen.
Beispielsweise kann das Licht emittierende
Halbleiterbauelement in einem Scheinwerfer verwendet werden. Bei in Scheinwerfern verwendeten
Wellenlängenkonversionsstoffen oder
Wellenlängenkonversionselementen kann beispielsweise die Temperaturabhängigkeit relativ stark ausgeprägt sein. Da Scheinwerfer in einem großen Temperaturbereich betrieben werden und stark beansprucht werden, kann das hier
beschriebene Licht emittierende Halbleiterbauelement
besonders vorteilhaft sein. Weiterhin kann das Licht
emittierende Halbleiterbauelement für ein Blitzlicht
verwendet werden. Darüber hinaus kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement für Leuchten für Straßenbeleuchtungen und/oder Gewächshausbeleuchtungen verwendet werden.
Beispielsweise bei Scheinwerfern und Straßenleuchten kann eine temperaturabhängige Farbveränderung als störend
empfunden werden, die durch das hier beschriebene Licht emittierende Halbleiterbauelement reduziert werden kann. Weiterhin kann es auch gesetzliche Regeln für den Farbort geben, der eingehalten werden muss. Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figuren 1A bis IE schematische Darstellungen von
Verfahrensschritten eines Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements sowie ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 2A und 2B schematische Darstellungen von Licht
emittierenden Halbleiterbauelementen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
Figuren 3A und 3B schematische Darstellungen eines Licht
emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
Figuren 4A und 4B Temperaturabhängigkeiten des abgestrahlten
Lichts von Halbleiterbauelementen bei deren
Verwendung in Verfahren zum Betrieb der
Halbleiterbauelemente gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den Figuren 1A bis IE sind schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements 101 sowie das Licht emittierende Halbleiterbauelement 101 gemäß einem
Ausführungsbeispiel gezeigt. Zur Herstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 101, das in Figur IE gezeigt ist, wird ein Licht emittierender Halbleiterchip 100, der in Figur ID gezeigt ist, mittels der in Verbindung mit den Figuren 1A bis ID beschriebenen Verfahrensschritten bereitgestellt.
Wie in Figur 1A dargestellt ist, wird in einem ersten
Verfahrensschritt eine Halbleiterschichtenfolge 1
hergestellt. Die Herstellung der Halbleiterschichtenfolge 1 erfolgt insbesondere im Waferverbund. Insbesondere kann die Halbleiterschichtenfolge 1 in Form einer Mehrzahl von
Halbleiterschichten mittels eines Epitaxieverfahrens,
beispielsweise metallorgansicher Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) , auf einem
Aufwachssubstrat aufgewachsen und mit elektrischen Kontakten sowie je nach Ausführungsform zusätzlich mit
Passivierungsschichten versehen werden. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge auch auf ein Trägersubstrat
übertragen werden und das Aufwachssubstrat kann gedünnt oder ganz entfernt werden. Derartige Halbleiterchips, die als Substrat ein Trägersubstrat anstelle des Aufwachssubstrats aufweisen, können auch als so genannte Dünnfilm- Halbleiterchips bezeichnet werden. Insbesondere kann die Halbleiterschichtenfolge 1 wie im allgemeinen Teil
beschrieben ausgebildet werden. Je nach gewünschter Wellenlänge des vom Licht emittierenden Halbleiterchip in einer aktiven Schicht zu erzeugenden Lichts kann ein oben im allgemeinen Teil beschriebenes Halbleitermaterial verwendet werden. Die einzelnen Halbleiterschichten, elektrischen
Kontakte, das Substrat sowie mögliche weitere Schichten wie etwa Passivierungsschichten sind der Übersichtlichkeit hier und im Folgenden nicht gezeigt.
Die Halbleiterschichtenfolge 1 weist eine Lichtauskoppelseite mit einer Lichtauskoppelflache 10 auf, über die das im
Betrieb erzeugte Licht aus der Halbleiterschichtenfolge 1 in ein angrenzendes Material ausgekoppelt werden kann. Die
Lichtauskoppelflache 10 ist wie gezeigt besonders bevorzugt eine Hauptoberfläche der Halbleiterschichtenfolge 1, die senkrecht zur Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge mit einer Haupterstreckungsebene in lateraler Richtung angeordnet sein kann.
Die Lichtauskoppelfläche 10 weist eine Oberflächenstruktur 11 auf. Die Oberflächenstruktur 11 kann durch eine regelmäßige oder unregelmäßige Abfolge von Erhebungen und Vertiefungen in der Lichtauskoppelfläche 10 gebildet sein. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können gleich oder verschieden sein und beispielsweise zumindest teilweise pyramidenförmig und/oder kegelförmig wie im allgemeinen Teil beschrieben ausgebildet sein. Rein beispielhaft ist die Oberflächenstruktur 11 mit pyramidenstumpfförmigen oder kegelstumpfförmigen
unregelmäßigen Erhebungen gezeigt. Die Oberflächenstruktur 11 kann beispielsweise durch Ätzen oder mechanisches Aufrauen der Lichtauskoppelfläche herstellbar sein.
Weiterhin kann auf der Halbleiterschichtenfolge 1 eine
Passivierungsschicht (nicht gezeigt) aufgebracht sein. Im Fall eines AlInGaP-basierten Halbleitermaterials kann die Passivierungsschicht beispielsweise mit oder aus S13N4 sein.
Im Fall einer Passivierungsschicht auf der
Lichtauskoppelseite der Halbleiterschichtenfolge wird die Lichtauskoppelflache 10 der Halbleiterschichtenfolge 1 durch die Passivierungsschicht gebildet. Die Passivierungsschicht kann derart dünn sein, dass die Passivierungsschicht im
Wesentlichen der Oberflächenstruktur in der
Halbleiterschichtenfolge 1 folgt und diese somit konform bedeckt. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die
Oberflächenstruktur 11 zumindest teilweise in der
Passivierungsschicht ausgebildet ist.
Im Rahmen eines üblichen Herstellungsverfahrens würde der Wafer mit der Halbleiterschichtenfolge zur Herstellung von Leuchtdiodenchips nun vereinzelt werden. Die Halbleiterchips könnten dann beispielsweise in eine Gehäuse montiert und kontaktiert werden und würden üblicherweise mit eine
Kunststoffmaterial, typischerweise Silikon, bedeckt werden, so dass in einem Leuchtdiodenchip erzeugtes Licht von der Lichtauskoppelfläche in das Kunststoffmaterial ausgekoppelt würde. Aufgrund des hohen Brechungsindex des
Halbleitermaterials der Halbleiterschichtenfolge im Vergleich zum Brechungsindex des Kunststoffmaterials würde an der
Grenzfläche zwischen diesen Materialien für bestimmte Winkel Totalreflexion stattfinden. Wie im allgemeinen Teil
beschrieben ist, wird der Brechungsindex von Silikon mit steigender Temperatur geringer, typischerweise von 1,42 bei 25°C zu 1,38 bei 125°C. Im Vergleich dazu ändert sich der Brechungsindex des Halbleitermaterials um mindestens eine Größenordnung weniger, im Fall von GaN beispielsweise von 2,4 bei 25°C auf mehr als 2,395 bei 125°C. Entsprechend
verringert sich die Lichtextraktion aus der Lichtauskoppelflache in das Kunststoffmaterial mit steigernder Temperatur. Beispielsweise kann bei einem
AlInGaP-basierten Leuchtdiodenchip mit einer unmittelbar darauf aufgebrachten Silikonlinse die Lichtextraktion vom Halbleitermaterial mit einem typischen Brechungsindex von etwa 3,5 in das Silikon der wesentliche begrenzende Faktor betreffend die Lichtauskopplung sein. Durch Verwendung eines höherbrechenden Silikons mit einem Brechungsindex von 1,54 anstelle von 1,42 könnte bei Raumtemperatur eine
Helligkeitssteigerung von etwa 10% erreicht werden. Die temperaturabhängige Reduktion des Brechungsindex des Silikons hingegen kann in einen Helligkeitsverlust von etwa 3 bis 5% resultieren .
Beim hier beschriebenen Verfahren wird, wie in Figur 1B gezeigt ist, anders als bei üblichen Herstellungsverfahren eine Auskoppelschicht 2 unmittelbar auf der
Lichtauskoppelflache 10 aufgebracht. Die Auskoppelschicht 2 weist ein transparentes dielektrische Material, insbesondere ein anorganisches Material auf, das mittels einer
Dünnschicht-Abscheidemethode, beispielsweise mittels
Sputtern, Aufdampfen oder chemischer Gasphasenabscheidung, auf der Oberflächenstruktur 11 derart aufgebracht wird, dass die Oberflächenstruktur 11 bevorzugt komplett gefüllt wird. Das Material der Auskoppelschicht 2 weist insbesondere einen hier und im Folgenden als zweiten Brechungsindex bezeichneten Brechungsindex auf, der bei Raumtemperatur kleiner als der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 1 ist. Weiterhin ist das Material der Auskoppelschicht 2 aus einem anderen Materialsystem als das Halbleitermaterial der
Halbleiterschichtenfolge 1. Insbesondere kann das Material der Auskoppelschicht 2 ein Oxid und/oder Fluorid,
beispielsweise Magnesiumfluorid und/oder Siliziumdioxid, aufweisen oder daraus sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Auskoppelschicht 2 ein Glas mit einem geeigneten
Brechungsindex aufweisen oder daraus sein. Die
Auskoppelschicht 2 kann beispielsweise auch als
Passivierungsschicht wirken, so dass es auch möglich sein kann, dass keine zusätzliche Passivierungsschicht auf der Lichtauskoppelseite vorhanden ist.
Die Auskoppelschicht 2 wird mit einer derart großen Dicke aufgebracht, dass die Auskoppelschicht 2, wie in Figur 1B zu erkennen ist, die Oberflächenstruktur 11 überragt. Somit weist die Auskoppelschicht 2 eine Dicke auf, die so groß ist, dass die Oberflächenstruktur 11 vollständig von der
Auskoppelschicht 2 bedeckt ist. In Bezug auf die vertikale Richtung ist der tiefste Punkt der der
Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandten Seite der
Auskoppelschicht 2 dabei besonders bevorzugt höher,
insbesondere um einen der im Folgenden genannten Werte höher, als der höchste Punkt der Oberflächenstruktur 11. Besonders bevorzugt kann die Auskoppelschicht 2 die Oberflächenstruktur 11 um eine Dicke überragen, die mindestens so groß wie die Wellenlänge des vom Licht emittierenden Halbleiterchip 100 im Betrieb erzeugten Lichts ist. Beispielsweise kann die
Auskoppelschicht 2 die Oberflächenstruktur 11 um mindestens 500 nm überragen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die der
Halbleiterschichtenfolge 1 und damit der Lichtauskoppelfläche 10 mit der Oberflächenstruktur 11 abgewandte Oberfläche 20 der Auskoppelschicht 2 geglättet, so dass die Oberfläche 20 glatt ist. Hierzu kann insbesondere ein chemisches oder mechanisches Polierverfahren oder ein sogenanntes CMP- Verfahren (CMP: „chemical-mechnical polishing", chemisch- mechanisches Polieren) verwendet werden. Die
Oberflächenstruktur 11 kann somit durch die Auskoppelschicht 2 planarisiert sein, wobei die Auskoppelschicht 2 einer der Halbleiterschichtenfolge 1 und damit der Lichtauskoppelflache 10 gegenüber liegenden Seite die glatte Oberfläche 20
aufweist. Nach dem Glätten weist die Auskoppelschicht 2 immer noch eine gewisse Dicke auf, um die die Auskoppelschicht 2 die Oberflächenstruktur 11 überragt, besonders bevorzugt um einen der vorgenannten Werte.
In weiteren Verfahrensschritten wird der Wafer mit der
Halbleiterschichtenfolge 1 und der Auskoppelschicht 2 im Hinblick auf die herzustellenden Licht emittierenden
Halbleiterchips 100 fertiggestellt und in die Licht
emittierenden Halbleiterchips 100, von denen einer in Figur ID angedeutet ist, vereinzelt. Die Licht emittierenden
Halbleiterchips 100 können im Rahmen der Herstellung von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen in weiteren nicht gezeigten Verfahrensschritten jeweils auf einem Träger oder in einem Gehäuse montiert und kontaktiert werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird zumindest teilweise auf dem montierten Licht emittierenden Halbleiterchip 100 ein Abdeckmaterial 3 aufgebracht. Wie in Figur IE angedeutet ist, wird das Abdeckmaterial 3 insbesondere auf der Oberfläche 20 der Auskoppelschicht 2 aufgebracht. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass das Abdeckmaterial 3 zusätzlich neben dem Halbleiterchip 100, also insbesondere angrenzend an dessen Seitenflächen, aufgebracht wird. Das Abdeckmaterial 3 weist einen transparenten Kunststoff auf oder ist daraus. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Abdeckmaterial 3 insbesondere einen Verguss und/oder eine Verkapselung
und/oder ein durch ein Formverfahren aufgebrachtes optisches Element wie etwa eine Linse für den Licht emittierenden
Halbleiterchip 100 bilden. Hierzu kann das Abdeckmaterial 3 aus dem transparenten Kunststoff oder zumindest im
Wesentlichen aus dem transparenten Kunststoff gebildet sein. Weiterhin kann das Abdeckmaterial 3 auch eine
Wellenlängenkonversionsschicht bilden, so dass im
transparenten Kunststoff zumindest ein
Wellenlängenkonversionsstoff enthalten sein kann, der
zumindest einen Teil des von Licht emittierenden
Halbleiterchip 100 im Betrieb erzeugten Lichts in Licht mit einer anderen Wellenlänge umwandeln kann. In diesem Fall, bei dem die durch das Abdeckmaterial gebildete
Wellenlängenkonversionsschicht direkt und ohne zusätzliche Klebeschicht auf dem Licht emittierenden Halbleiterchip aufgebracht ist, kann die Wellenlängenkonversionsschicht gleichzeitig eine Verkapselung bilden.
Das Abdeckmaterial 3 und insbesondere der transparente
Kunststoff des Abdeckmaterials 3 kann eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder daraus sein: Siloxane, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Olefine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch
Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit.
Beispielsweise kann der Kunststoff des Abdeckmaterials 3 Silikon, Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA) ,
Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan oder
Mischungen oder Hybridmaterialien daraus aufweisen oder sein.
Mit dem Aufbringen des Abdeckmaterials 3 kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement 101 fertiggestellt sein. Alternativ können auch noch weitere Verfahrensschritte zu Fertigstellung des Halbleiterbauelements 101 durchgeführt werden. Beispielsweise kann einer Mehrzahl von Trägern oder Gehäusen in einem Verbund bereitgestellt werden, für die die beschriebenen Schritte im Verbund durchgeführt werden.
Anschließend kann ein Vereinzeln des Träger- oder
Gehäuseverbunds in einzelne Licht emittierende
Halbleiterbauelemente 101 erfolgen.
In den Figuren 2A und 2B sind weitere Ausführungsbeispiele für Licht emittierende Halbleiterbauelemente 101 gezeigt, bei denen das Abdeckmaterial 3 jeweils eine Verbindungsschicht, insbesondere in Form einer KlebstoffSchicht, zwischen dem Licht emittierenden Halbleiterchip 100 und einem weiteren Element bildet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2A kann mittels des Abdeckmaterials 3 als Verbindungsschicht beispielsweise ein Wellenlängenkonversionselement 4
aufgebracht werden. Das Wellenlängenkonversionselement 4 kann ein separat hergestelltes Element sein, beispielsweise in Form eines Keramik- oder Kunststoffplättchens, das zumindest einen Wellenlängenkonversionsstoff enthält oder daraus gebildet wird. Weiterhin kann das optische Element, wie in Figur 2B gezeigt ist, auch ein optisches Element 5 wie beispielsweise eine Linse sein, das mittels des
Abdeckmaterials 3 auf dem Licht emittierenden Halbleiterchip 100 und insbesondere auf der Oberfläche 20 der
Auskoppelschicht 2 befestigt wird.
Wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1A bis 2B gezeigt ist, wird das Abdeckmaterial 3 insbesondere in direktem Kontakt mit der transparenten Auskoppelschicht 2 des Licht emittierenden Halbleiterchips 100 angeordnet. Das kann insbesondere bedeuten, dass das Abdeckmaterial 3 und damit der transparente Kunststoff unmittelbar auf der der
Lichtauskoppelfläche 10 abgewandten Oberfläche 20 der Auskoppelschicht 2 angeordnet ist, so dass in der Halbleiterschichtenfolge 1 im Betrieb des Licht emittierenden Halbleiterchips 100 erzeugtes Licht, das von der
Lichtauskoppelflache 10 in die Auskoppelschicht 2
eingekoppelt wird, zumindest über die der
Halbleiterschichtenfolge 1 gegenüber liegende Oberfläche 20 der Auskoppelschicht 2 direkt in das Abdeckmaterial 3 eingekoppelt werden kann. Die Einkopplung von Licht von der Lichtauskoppelflache 10 in die Auskoppelschicht 2 und von der Auskoppelschicht 2 in das Abdeckmaterial 3 und damit in den Kunststoff des Abdeckmaterials 3 erfolgt abhängig von den jeweiligen Brechungsindices und Brechungsindexunterschieden, wie im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 3A und 3B näher erläutert wird. Rein beispielhaft ist in den Figuren 3A und 3B das Licht emittierende Halbleiterbauelement 101 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1A bis IE gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung gilt aber gleichermaßen für die anderen Ausführungsbeispiele.
Das Abdeckmaterial 3 und insbesondere der transparente
Kunststoff des Abdeckmaterials 3 weist einen
temperaturabhängigen ersten Brechungsindex auf. Insbesondere weist der erste Brechungsindex eine derartige
Temperaturabhängigkeit auf, dass der erste Brechungsindex mit steigender Temperatur kleiner wird. Die Auskoppelschicht 2 weist wie weiter oben beschrieben einen zweiten
Brechungsindex auf. Der zweite Brechungsindex kann ebenfalls eine Temperaturabhängigkeit aufweisen, wobei diese
Temperaturabhängigkeit wesentlich kleiner, beispielsweise um mindestens einen Faktor 10 kleiner, als die
Temperaturabhängigkeit des ersten Brechungsindex ist. Somit ändert sich der zweite Brechungsindex bei sich ändernder Temperatur weniger stark als der erste Brechungsindex. Insbesondere kann der zweite Brechungsindex zumindest in Bezug auf die Größenordnung eine ähnliche
Temperaturabhängigkeit aufweisen wie die Brechungsindices des Halbleitermaterials der Halbleiterschichtenfolge.
Insbesondere sind das Abdeckmaterial 4 und die
Auskoppelschicht 3 derart ausgebildet, dass bei
Raumtemperatur der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist. Beispielsweise können sich der erste und zweite Brechungsindex bei Raumtemperatur um mindestens 1% bezogen auf den ersten Brechungsindex unterscheiden.
Besonders bevorzugt können sich der erste und zweite
Brechungsindex bei Raumtemperatur um mindestens 2% oder um mindestens 2,5% oder um mindestens 3% bezogen auf den ersten Brechungsindex unterscheiden. Weiterhin können sich der erste und zweite Brechungsindex bei Raumtemperatur um mindestens 0,01 oder um mindestens 0,02 oder um mindestens 0,03 oder um mindestens 0,04 unterscheiden. Mit steigender Temperatur kann eine Differenz zwischen dem ersten und zweiten Brechungsindex abnehmen. Dies kann insbesondere eine Folge der beschriebenen unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten des ersten und zweiten Brechungsindex sein. Insbesondere kann die Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten
Brechungsindex bei Raumtemperatur größer als bei einer maximalen Betriebstemperatur sein. Die maximale
Betriebstemperatur kann beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 100°C und kleiner oder gleich 150°C liegen und derjenigen Temperatur entsprechen, die der Licht
emittierende Halbleiterchip 100 im Licht emittierenden
Halbleiterbauelement 101 üblicherweise im Betrieb aufweist oder bis zu der das Licht emittierende Halbleiterbauelement 101 spezifiziert ist. Der erste und zweite Brechungsindex können bevorzugt bei der maximalen Betriebstemperatur im Wesentlichen gleich sein, also bevorzugt um kleiner oder gleich 0,5% oder um kleiner oder gleich 0,1%, bezogen auf den ersten Brechungsindex, voneinander abweichen oder auch im Wesentlichen genau gleich sein.
Rein beispielhaft kann das Abdeckmaterial 3 als transparenten Kunststoff Silikon aufweisen, das bei Raumtemperatur einen ersten Brechungsindex von etwa 1,42 und bei einer maximalen Betriebstemperatur des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 101 im Bereich von 100°C bis 150°C, beispielsweise bei 125°C, einen ersten Brechungsindex von etwa 1,38 aufweist. Die Auskoppelschicht 2 kann ein
transparentes anorganisches dielektrisches Material aufweisen oder daraus sein, das einen zweiten Brechungsindex aufweist, der bei Raumtemperatur und bei der maximalen
Betriebstemperatur zumindest im Wesentlichen 1,38 beträgt. Insbesondere weist die Auskoppelschicht 2 einen zweiten
Brechungsindex auf, der kleiner als der Brechungsindex des Halbleitermaterials der Halbleiterschichtenfolge 1 ist.
Hierzu kann sich beispielsweise MgF2 eignen. Die
Halbleiterschichtenfolge 1 kann beispielsweise auf einem AlInGaN-Halbleitermaterial basieren, wobei beispielsweise GaN einen Brechungsindex von etwa 2,4 aufweisen kann. Alternativ hierzu können auch andere Materialkombinationen, wie
beispielsweise oben im allgemeinen Teil beschrieben ist, gewählt werden, die die beschriebenen
Brechungsindexbedingungen erfüllen .
In Figur 3A ist das Licht emittierende Halbleiterbauelement 101 bei Raumtemperatur, also bei einer Temperatur von etwa 25°C, angedeutet. Mittels der Pfeile ist ein beispielhafter Lichtweg von der aktiven Schicht der Halbleiterschichtenfolge 1 durch die Auskoppelschicht 2 in das Abdeckmaterial 3 angedeutet. Die Lichteinkopplung von der Halbleiterschichtenfolge 1 in die Auskoppelschicht 2 ist aufgrund der beschriebenen Brechungsindices und der daraus folgenden Totalreflexion ab einem bestimmten kritischen
Winkel geringer als im Fall einer Lichteinkopplung direkt von der Halbleiterschichtenfolge in das Abdeckmaterial.
Zusätzlich findet bei Raumtemperatur an der Grenzfläche zwischen der Auskoppelschicht 2 und dem Abdeckmaterial 3 aufgrund des im Vergleich zum zweiten Brechungsindex größeren ersten Brechungsindex eine Fresnel-Reflexion statt, die durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Die Fresnel-Reflexion bewirkt eine weitere Reduktion der Gesamtlichtauskopplung aus dem Licht emittierenden Halbleiterbauelement 101. Im
gezeigten Ausführungsbeispiel kann die
Lichtauskopplungseffizienz von der Halbleiterschichtenfolge 1 in das Abdeckmaterial 3 bei Raumtemperatur um etwa 2 bis 3% geringer sein im Vergleich zu einem Fall, in dem keine
Auskoppelschicht 2 vorhanden ist und das Abdeckmaterial unmittelbar auf der Lichtauskoppelfläche 10 angeordnet ist.
In Figur 3B ist das Licht emittierende Halbleiterbauelement 101 bei einer Betriebstemperatur von etwa 125°C gezeigt. Der erste Brechungsindex beträgt wie oben beschrieben im
gezeigten Ausführungsbeispiel 1,38 und ist damit gleich dem zweiten Brechungsindex. Aufgrund der geringen
Temperaturabhängigkeit des zweiten Brechungsindex,
insbesondere im Verhältnis zum Brechungsindex der
Halbleiterschichtenfolge 1, ändert sich der kritische Winkel und damit der Grad der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der Lichtauskoppelfläche 10 und der Auskoppelschicht 2 nicht oder nur unwesentlich mit einer sich ändernden
Temperatur, so dass im Wesentlichen der gleiche relative Lichtanteil von der Halbleiterschichtenfolge 1 in die
Auskoppelschicht 2 eingekoppelt wird. Die bei Raumtemperatur an der Grenzfläche zwischen der Auskoppelschicht 2 und dem Abdeckmaterial 3 stattfindende Fresnel-Reflexion hingegen wird mit steigender Temperatur und damit kleiner werdendem ersten Brechungsindex geringer und verschwindet im gezeigten Fall bei der Betriebstemperatur sogar ganz. Anstelle einer geringer werdenden Lichteinkopplung in das Abdeckmaterial, wie dies der Fall bei Abwesenheit der Auskoppelschicht 2 wäre, kann somit mit steigender Temperatur effektiv ein höherer relativer Anteil von Licht aus der Auskoppelschicht 2 in das Abdeckmaterial 3 eingekoppelt werden, so dass im
Vergleich zu oben beschriebenen üblichen Licht emittierenden Leuchtdiodenchips mit unmittelbar an die Lichtauskoppelfläche angrenzendem Kunststoffmaterial ein gegenläufiger Effekt erzielt werden kann. Weiterhin bleibt die Helligkeit bei der Betriebstemperatur im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine Auskoppelschicht vorhanden ist, gleich. Mit Vorteil kann bei dem hier beschriebenen Licht emittierenden
Halbleiterbauelement somit erreicht werden, dass Licht, das in die Auskoppelschicht eingekoppelt wird, bis auf den durch Fresnelreflexion bewirkten Anteil, unabhängig von der
Temperatur auch in das Abdeckmaterial eingekoppelt und aus diesem wieder ausgekoppelt wird. Die Auskopplung aus der Halbleiterschichtenfolge ist hierbei von der
Temperaturabhängigkeit zumindest fast komplett befreit, anders als für den Fall einer direkten Auskopplung von der Halbleiterschichtenfolge in einen Kunststoff.
Für den Fall, dass das Abdeckmaterial 3 als
Wellenlängenkonversionsschicht ausgebildet ist, kann es zusätzlich erforderlich sein, die Kopplung von Licht vom Abdeckmaterial in die Halbleiterschichtenfolge zu bedenken. Bei einer direkt auf einem Leuchtdiodenchip ohne die
Auskoppelschicht aufgebrachten Wellenlängenkonversionsschicht ändert sich diese Kopplung ebenfalls mit der Temperatur und wird geringer mit steigender Temperatur, was zu einer
Änderung der Farbkoordinaten des in die Umgebung
abgestrahlten Lichts führen kann. Die Auskoppelschicht 2 kann in diesem Fall auch den hilfreichen Effekt haben, den Farbort zu stabilisieren.
Ein ähnlicher Effekt kann auch im Fall eines
Wellenlängenkonversionselements vorliegen, das mittels des eine Verbindungsschicht bildenden Abdeckmaterials 3 auf den Licht emittierenden Halbleiterchip 100 aufgeklebt ist, wie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Figur 2A
beschrieben ist. In diesem Fall kann die Totalreflexion zwischen dem Wellenlängenkonversionselement und dem
Abdeckmaterial einen wichtigen Einfluss auf den Farbort haben, da sich der Farbort bei Abwesenheit der
Auskoppelschicht mit sich änderndem Brechungsindex des
Abdeckmaterials verschieben kann. Die beim hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauelement 101 zusätzlich vorhandene niedrigbrechende dielektrische Auskoppelschicht 2 kann durch die unveränderte Totalreflexion die
Farbortverschiebung bei Temperaturänderungen im Bereich von der Raumtemperatur zur maximalen Betriebstemperatur
signifikant reduzieren.
In Verbindung mit den Figuren 4A und 4B werden die
beschriebenen Effekte anhand von Temperaturabhängigkeiten des von Halbleiterbauelementen gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen abgestrahlten Lichts weiter
verdeutlicht. In allen Diagrammen bezieht sich die
gestrichelte Linie auf ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, während sich die durchgezogene Linie auf ein Vergleichsbauelement bezieht, das im Wesentlichen baugleich, jedoch ohne Auskoppelschicht, ausgebildet ist. Die gestrichelten Linien sind dabei auf die durchgezogenen Linien normiert .
In Figur 4A ist im linken Diagramm der relative Lichtstrom eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements und eines Vergleichsbauelements in Abhängigkeit von der
Betriebstemperatur gezeigt, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2A mit einem mittels des Abdeckmaterials aufgeklebten
Wellenlängenkonversionselements ausgebildet ist. Im rechten Diagramm ist die relative Strahlungsleistung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements und eines
Vergleichsbauelements in Abhängigkeit von der
Betriebstemperatur gezeigt, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2B mit einer mittels des Abdeckmaterials aufgeklebten Linse aus Silikon als optisches Element ausgebildet ist. In beiden Fällen sind die Licht emittierenden Halbleiterchips als blau emittierende InGaN-Chips ausgebildet. In beiden Diagrammen ist erkennbar, dass bei einer Betriebstemperatur von etwa 125°C, hervorgehoben durch die mit B bezeichneten Pfeile, die Helligkeit des Licht emittierenden Halbleiterbauelements und des jeweiligen Vergleichsbauelements im Wesentlichen gleich sind, so dass die Anwesenheit der Auskoppelschicht auf die Helligkeit bei etwa 125°C keinen wesentlichen Einfluss hat.
Man kann weiterhin im linken Diagramm der Figur 4A erkennen, dass der relative Lichtstrom bei einer Betriebstemperatur von 125°C nur 75% des Werts bei Raumtemperatur, hervorgehoben durch die mit A bezeichneten Pfeile, beträgt. Wie im rechten Diagramm zu erkennen ist, beträgt die relative
Strahlungsleistung bei einer Betriebstemperatur von 125°C nur 85% des Werts bei Raumtemperatur. Durch die Hinzufügung der Auskoppelschicht kann die relative Änderung des relativen Lichtstroms und der relativen Strahlungsleitung um etwa 2 bis 3% verringert werden, da durch die Auskoppelschicht bei
Raumtemperatur weniger Licht aus dem Licht emittierenden Halbleiterbauelement ausgekoppelt wird. Im Fall des Licht emittierenden Halbleiterbauelements des linken Diagramms bedeutet dies somit eine Reduzierung des Lichtstroms bei einer Änderung der Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 125°C auf 77% anstelle von 75%, im Fall des Licht
emittierenden Halbleiterbauelements des rechten Diagramms eine Reduzierung der Strahlungsleistung bei einer Änderung der Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 125°C auf 87% anstelle von 85%, so dass in beiden Fällen durch die
Auskoppelschicht die Temperaturstabilität der jeweiligen Helligkeitsgröße signifikant verbessert werden kann, ohne dass die Helligkeit bei der maximalen Betriebstemperatur herabgesetzt wird.
In Figur 4B sind im linken und rechten Diagramm jeweils der relative Lichtstrom eines Licht emittierenden
Halbleiterbauelements und eines Vergleichsbauelements in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur gezeigt, wobei in diesen Fällen der jeweilige Licht emittierende Halbleiterchip als rot emittierender AlInGaP-Chip mit einer Wellenlänge von 612 nm (linkes Diagramm) beziehungsweise von 634 nm (rechts Diagramm) ausgebildet ist. Bei einer Erhöhung von der
Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur von 125°C
reduziert sich der jeweilige relative Lichtstrom der
Vergleichsbauelemente um 31% beziehungsweise um 52%. Dies liegt zum Teil an einer temperaturabhängigen
Wellenlängenverschiebung, die Auswirkungen auf die
Augenempfindlichkeit hat und die nicht kompensiert werden kann, und zum Teil an einem Intensitätsverlust bis auf einen Wert von 50% beziehungsweise von 88%, also einem Verlust um 50% beziehungsweise 12%, der mittels der Auskoppelschicht reduziert werden kann. Wie erkennbar ist, kann der relative Lichtstrom in beiden Fällen bei Raumtemperatur um etwa 5% reduziert werden, so dass hieraus nur noch ein Verlust um 45% beziehungsweise 10% resultiert.
Um die beschriebenen Effekte durch die Auskoppelschicht zu erhöhen, kann es vorteilhaft sein, für die Auskoppelschicht ein Material zu verwenden, das auch bei der maximalen
Betriebstemperatur eine zweiten Brechungsindex aufweist, der kleiner als der erste Brechungsindex des Abdeckmaterials ist. Dadurch wird im Vergleich zu Vergleichsbauelementen ohne Auskoppelschicht die Helligkeit bei Raumtemperatur durch eine größere Fresnel-Reflexion stärker herabgesetzt, während bei der maximalen Betriebstemperatur auch noch Verluste durch die beschriebene Fresnel-Reflexion vorhanden sind. Jedoch kann der Effekt größer als die vorab beschriebenen 2 bis 3% in Bezug auf den Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der maximalen Betriebstemperatur sein. Dies kann
beispielsweise vorteilhaft für Anwendungen sein, bei denen die Helligkeitsstabilität wichtiger als die absolute
Helligkeit ist.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind.
Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren
beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen . Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterschichtenfolge
10 Lichtauskoppelfläche
11 Oberflächenstruktur
2 AuskoppelSchicht
20 Oberfläche
3 Abdeckmaterial
4 Wellenlängenkonversionselement
5 optisches Element
100 Licht emittierender Halbleiterchip
101 Licht emittierende Halbleiterbauelement

Claims

Patentansprüche
1. Licht emittierendes Halbleiterbauelement (101)
aufweisend :
- einen Licht emittierenden Halbleiterchip (100) mit einer
Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer
Lichtauskoppelflache (10) und einer dielektrischen
Auskoppelschicht (2) unmittelbar auf der
Lichtauskoppelflache und
- ein Abdeckmaterial (3) mit einem transparenten Kunststoff auf der Auskoppelschicht,
wobei der transparente Kunststoff einen temperaturabhängigen ersten Brechungsindex und die Auskoppelschicht einen zweiten Brechungsindex aufweist,
wobei bei Raumtemperatur der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist und
wobei eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex bei Raumtemperatur größer ist als bei einer maximalen Betriebstemperatur.
2. Halbleiterbauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Lichtauskoppelflache eine Oberflächenstruktur (11) aufweist und die Auskoppelschicht die
Oberflächenstruktur überragt.
3. Halbleiterbauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Auskoppelschicht die Oberflächenstruktur um eine Dicke überragt, die mindestens so groß wie die
Wellenlänge eines vom Licht emittierenden Halbleiterchip im Betrieb erzeugten Lichts ist.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Auskoppelschicht auf einer der Halbleiterschichtenfolge gegenüber liegenden Seite eine glatte Oberfläche aufweist.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei das Abdeckmaterial unmittelbar auf der Auskoppelschicht aufgebracht ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und zweite Brechungsindex bei der maximalen Betriebstemperatur im Wesentlichen gleich sind .
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Brechungsindex bei der maximalen
Betriebstemperatur größer als der zweite Brechungsindex ist .
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge einen Brechungsindex aufweist, der größer als der zweite Brechungsindex ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei sich der erste und zweite
Brechungsindex bei Raumtemperatur um mindestens 1% bezogen auf den ersten Brechungsindex und/oder um mindesten 0,01 unterscheiden.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Auskoppelschicht ein Material ausgewählt aus MgF , Si02, Glas, A103 aufweist. 2018PF02842 13. März 2020
WO 2020/193233 PCT/EP2020/056914iO N
42
11. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei der Kunststoff ein Material ausgewählt aus Silikon, Epoxid und Acrylat aufweist.
12. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die maximale Betriebstemperatur in einem Bereich von größer oder gleich 100°C und kleiner oder gleich 150°C liegt.
13. Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei das Abdeckmaterial ein Funktionselement bildet, das ausgewählt ist aus einem oder einer
Kombination der folgenden Elemente:
- Verguss,
- Verkapselung,
- Linse,
- Verbindungsschicht zu einem Wellenlängenkonversionselement,
- Wellenlängenkonversionsschicht .
14. Verwendung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements (101) gemäß einem der vorherigen Ansprüche bei einem
Verfahren zum Betrieb des Halbleiterbauelements, bei dem das Halbleiterbauelement bei einer maximalen
Betriebstemperatur betrieben wird, bei der der erste und zweite Brechungsindex im Wesentlichen gleich sind oder der erste Brechungsindex bei der maximalen
Betriebstemperatur größer als der zweite Brechungsindex ist .
15. Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden
Halbleiterbauelements (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterchips
(100) eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer
Lichtauskoppelflache (10 bereitgestellt wird und
unmittelbar auf der Lichtauskoppelflache eine
dielektrische Auskoppelschicht (2) aufgebracht wird,
- ein Abdeckmaterial (3) mit einem transparenten Kunststoff auf der Auskoppelschicht aufgebracht wird,
wobei der transparente Kunststoff einen temperaturabhängigen ersten Brechungsindex und die Auskoppelschicht einen zweiten Brechungsindex aufweist,
wobei bei Raumtemperatur der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist und
wobei eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex bei Raumtemperatur größer ist als bei einer maximalen Betriebstemperatur.
PCT/EP2020/056914 2019-03-22 2020-03-13 Licht emittierendes halbleiterbauelement, verfahren zur herstellung eines licht emittierenden halbleiterbauelements und verwendung des licht emittierenden halbleiterbauelements Ceased WO2020193233A1 (de)

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