WO2023057312A1 - Optoelektronisches konverterelement, optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements - Google Patents

Optoelektronisches konverterelement, optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements Download PDF

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WO2023057312A1
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optoelectronic
carrier
semiconductor device
converter
light
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Zeljko Pajkic
Johann Ramchen
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Ams-Osram International Gmbh
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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • VCSELs Very Cavity Surface Emitting Lasers
  • the object of the present invention is to provide an improved optoelectronic converter element and an improved optoelectronic semiconductor component and an improved method for producing an optoelectronic semiconductor component. According to embodiments, the object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous further developments are defined in the dependent patent claims.
  • An optoelectronic converter element comprises a substrate comprising a material having a thermal conductivity greater than 25 W/(m*K), openings being formed in the substrate, and a phosphor disposed in the openings defining converter regions become .
  • the carrier can have a material with a thermal conductivity greater than 50 W/(m*K).
  • the optoelectronic converter element can also have a reflective layer between the carrier and the phosphor.
  • the material of the carrier can be reflective.
  • the material of the carrier can be reflective and, for example at an interface between the carrier and the phosphor, have a reflectivity for radiation converted by the converter element of at least 75%, at least 80% or at least 90 percent.
  • the aforementioned optional reflective layer between the carrier and the phosphor can, for example, have a reflectivity for a radiation converted by the converter element of at least 75%, at least 80% or at least 90 percent.
  • a thickness of the carrier can be more than 5 ⁇ m. According to further embodiments, the thickness can also be more than 10 ⁇ m.
  • the converter areas can be arranged along rows and columns or according to a hexagonal pattern.
  • An optoelectronic semiconductor component comprises the optoelectronic converter element as described above and a semiconductor device for generating electromagnetic radiation.
  • the optoelectronic converter element is suitable for changing a wavelength of electromagnetic radiation emitted by the semiconductor device.
  • the semiconductor device may include a surface emitting semiconductor laser element.
  • the semiconductor device can also include a light-emitting diode (LED).
  • LED light-emitting diode
  • the semiconductor device has an array of light-emitting elements.
  • the converter areas of the optoelectronic converter element are each arranged at positions which correspond to the positions of the light-emitting elements.
  • the optoelectronic semiconductor component can also contain a solder frame between the semiconductor device and the optoelectronic converter element.
  • an air gap can be arranged between the semiconductor device and the optoelectronic converter element.
  • the optoelectronic semiconductor component can be selected from a broadband light source for spectroscopic applications, a flashlight, a motor vehicle lighting device, a smartphone or a portable electronic device (wearable).
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor component comprises forming openings in a carrier which has a material with a thermal conductivity greater than 25 W/(m*K), introducing a phosphor into the openings, whereby converter regions are defined and the joining of the carrier with a semiconductor device for generating electromagnetic radiation.
  • the carrier can also have a material with a thermal conductivity greater than 50 W/(m*K).
  • the converter areas are formed along rows and columns or according to a hexagonal pattern.
  • the phosphor is introduced by deposition methods, screen printing methods, an immersion bath or casting.
  • the method also includes introducing a solder frame between the carrier and the semiconductor device.
  • the semiconductor device may include a plurality of light-emitting elements.
  • the converter areas can each be arranged at positions which correspond to those of the light-emitting elements.
  • Fig. 1A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic converter element according to embodiments.
  • Fig. 1B shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic converter element according to further embodiments.
  • FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
  • Fig. 2B illustrates the structure of an example of a surface emitting semiconductor laser element.
  • 2C shows another example of a light-emitting element.
  • 3A shows a perspective view of a semiconductor device.
  • 3B shows a perspective view of an optoelectronic semiconductor component.
  • FIG. 4A shows a perspective view of a carrier for forming a converter element.
  • 4B shows a perspective view of the carrier with openings and converter areas.
  • 4C shows isolated optoelectronic converter elements.
  • FIG. 5 illustrates a method for producing an optoelectronic semiconductor component.
  • the semiconductor materials described below can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds that can be used, for example, to generate ultraviolet, blue or longer-wave light, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, phosphide semiconductor compounds that can be used, for example, to generate green or longer-wave light Light can be generated, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Oa, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials may include silicon, silicon-germanium, and germanium. In the context of the present description, the term "
  • substrate generally includes insulating, conductive, or semiconductor substrates.
  • the wavelength of electromagnetic radiation emitted by an LED chip can be determined using a Converter material, which contains a phosphor or phosphor, are converted.
  • white light can be generated by combining an LED chip that emits blue light with a suitable phosphor.
  • the phosphor may be a yellow phosphor capable of emitting yellow light when excited by the light from the blue LED chip.
  • the phosphor can, for example, absorb part of the electromagnetic radiation emitted by the LED chip.
  • the combination of blue and yellow light is perceived as white light.
  • the color temperature can be changed by adding further phosphors that are suitable for emitting light of a further wavelength, for example a red wavelength.
  • white light can be generated by a combination containing a blue LED chip and a green and red phosphor. It goes without saying that a converter material can include a number of different phosphors, each of which emits different wavelengths.
  • Examples of phosphors are metal oxides, metal halides, metal sulfides, metal nitrides, and others. These compounds can also contain additives that cause specific wavelengths to be emitted.
  • the additives can include rare earth materials.
  • YAG:Ce 3+ yttrium aluminum garnet (Y3AI5O12) activated with cerium) or (Sri. 7 Bao.2Euo.i) SiO 4 can be used as an example for a yellow phosphor.
  • Further phosphors can be based on MSiO4:Eu 2+ , where M can be Ca, Sr or Ba. By choosing the cations with an appropriate concentration, a desired conversion wavelength can be selected. Many other examples of suitable phosphors are known.
  • the phosphor material for example a phosphor powder
  • the matrix material may comprise a resin or polymer composition such as a silicone or an epoxy resin.
  • the size of the phosphor particles can be in the micrometer or nanometer range, for example.
  • the matrix material can comprise a glass.
  • the converter material can be formed by sintering the glass, for example SiCt with other additives and phosphor powder, with the formation of a phosphor in the glass (PiG).
  • the phosphor material itself can be sintered to form a ceramic.
  • the ceramic phosphor can have a polycrystalline structure.
  • the phosphor material can be grown to form a single-crystal phosphor, for example using the Czochralski (Gz) method.
  • the luminescent material itself can be a semiconductor material which has a suitable band gap for absorption of the light emitted by the LED and for the emission of the desired conversion wavelength in the volume or in layers.
  • this can be an epitaxially grown semiconductor material.
  • the epitaxially grown semiconductor material can have a band gap that corresponds to a lower energy than that of the primarily emitted light.
  • several suitable semiconductor layers, each e- wells emitting light of different wavelengths can be stacked on top of each other.
  • One or more quantum wells or Quantum wells, quantum dots, or quantum wires can be formed in the semiconductor material.
  • vertical as used in this specification is intended to describe an orientation that is essentially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can correspond to a growth direction when layers are grown, for example.
  • lateral and “horizontal” as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • electrically connected means a low-impedance electrical connection between the connected elements.
  • the electrically connected elements do not necessarily have to be directly connected to one another. Further elements can be arranged between electrically connected elements.
  • FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic converter element 100 according to embodiments.
  • the optoelectronic converter element 100 comprises a carrier 110, which has a carrier material with a thermal conductivity greater than 50 W/(m*K).
  • Apertures 112 are formed in the carrier 110 .
  • the openings 112 extend from a first main surface 111 of the carrier 110 to a surface of the carrier 110 opposite the first main surface 111 .
  • a phosphor 115 is placed in the openings 112 . This defines converter areas 117 .
  • the phosphor 115 extends within the converter regions 117 from the first main surface 111 to the surface of the carrier 110 opposite the first main surface 111 .
  • the carrier material examples include metals such as Cu, Al, Ag, Au, metal alloys, and ceramics such as AIN, Al2O3, TiO2, diamond or SiC.
  • Other examples of the material of the carrier include carbon or other composite materials. According to further embodiments, other materials with a high thermal conductivity can also be used.
  • the thermal conductivity of the carrier material can be greater than 50 or greater than 100 W/(m*K), for example.
  • the openings 112 may be tapered such that the diameter of the openings 112 on the side opposite the light emitting elements (not shown in FIG. 1A) is smaller than the diameter of the openings 112 on one of the light emitting elements side facing away from elements .
  • the phosphor can be embedded in a matrix material, for example a polymer or a glass.
  • a reflective layer 114 with a high reflectivity can be arranged between the carrier 110 and the phosphor 115 .
  • the reflective layer 114 can be disposed on the sidewalls of the openings 113 and over the first major surface 111 of the carrier 110 .
  • the reflective layer can contain Au or Ag, for example, or consist of these materials. In this way, a back-reflection of generated radiation in the direction of the semiconductor device is reduced and the overall light yield can be increased. Furthermore, heating of the converter element is reduced.
  • a layer thickness of the carrier 100 can be greater than 10 ⁇ m.
  • a layer thickness of the carrier 100 can be less than 100 ⁇ m.
  • a layer thickness of the phosphor 115 in the openings can approximately correspond to the layer thickness of the carrier 100 . More precisely, 0.9*s ⁇ ddl.l*s applies, where d denotes the layer thickness of the phosphor 115 and s denotes the layer thickness of the carrier 100 .
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of the optoelectronic converter element 100 according to further embodiments.
  • the openings here—unlike in FIG. 1A - cylindrical in shape.
  • the other elements of the optoelectronic converter element correspond to those shown in FIG. 1A are shown.
  • the reflective layer 114 is optional and can be omitted.
  • FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component 10 according to embodiments.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 comprises an optoelectronic converter element 100 and a semiconductor device 125 for generating electromagnetic radiation.
  • the optoelectronic converter element 100 can be configured as described above.
  • the optoelectronic converter element 100 is suitable for changing a wavelength of emitted electromagnetic radiation 15 which has been emitted by the semiconductor device.
  • the semiconductor device 125 may include a surface emitting laser element 130 .
  • the semiconductor device may include a plurality of light emitting elements 127 according to embodiments.
  • these light-emitting elements 127 can be, for example, surface-emitting semiconductor laser elements 130 .
  • the light-emitting elements 127 can also be designed in a different way.
  • the converter regions 117 of the optoelectronic converter element 100 can be arranged in positions that correspond to the positions of the light-emitting elements 127. In this way, electromagnetic radiation 15 that has been emitted by the individual light-emitting elements 127 can be converted directly by an associated converter area 117 . In this way, phosphor material can be saved, thereby reducing the costs of the optoelectronic semiconductor component.
  • the individual light-emitting elements 127 can be arranged in or over a substrate 140 .
  • a solder frame can be arranged between the substrate 140 and the converter element 100 .
  • the solder frame 120 may be arranged in an edge area of the semiconductor device 125 .
  • an air gap is arranged between the emission surface and the converter area 117 .
  • the air gap has a different refractive index and thus leads to improved beam shaping.
  • the air gap is arranged, for example, in an area different from the peripheral area of the semiconductor device and the converter element 100 .
  • a material of the solder frame 120 may include Au or an alloy containing Cu, Ni and/or Au and other suitable materials.
  • a thickness of the solder frame 120 measured in the y-direction can be greater than 2 ⁇ m. According to further embodiments, the thickness of the solder frame 120 can be less than 10 ⁇ m.
  • Fig. 2B shows an example of a structure of a surface emitting semiconductor laser element 130 which, according to embodiments, includes a light emitting element 127 shown in FIG. 2A can represent .
  • the surface-emitting semiconductor laser element 130 comprises a first resonator mirror 131 and a second resonator mirror 132 as well as an active zone 134 for generating radiation.
  • the active zone can, for example, have a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well ) for generating radiation .
  • Quantum well structure has no meaning here with regard to the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • the first resonator mirror 131 and the second resonator mirror 132 can each be designed as a DBR layer stack ("distributed Bragg reflector") and have a large number of alternating thin layers of different refractive indices.
  • the thin layers can each be made of a semiconductor material or of a dielectric material.
  • the layers can alternately have a high refractive index (n> given refractive index) and a low refractive index (n ⁇ given refractive index).
  • the layer thickness can be X/ 4 or a multiple of X/ 4, where X is the Indicates the wavelength of the light to be reflected in the corresponding medium.
  • the first or the second resonator mirror can have, for example, 2 to 50 individual layers.
  • a typical layer thickness of the individual layers can be about 30 to 150 nm, for example 50 nm.
  • the layer stack can also have one or two or contain multiple layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
  • an optical resonator 137 is formed between the first and second resonator mirrors 131 , 132 .
  • the semiconductor layer stack 123 further comprises a first semiconductor layer of a first conductivity type, for example p-type, which are arranged adjacent to the active zone 134 . If the second resonator mirror 132 is constructed only from dielectric layers, the semiconductor layer stack 123 also has a second semiconductor layer of a second conductivity type formed in contact with the active region 134.
  • the surface-emitting semiconductor laser element 130 also has a first contact element 135 and a second contact element 136 for applying a voltage to the laser element. In Fig. 2B, the first and second contact elements 135, 136 are arranged on opposite sides of the semiconductor layer stack 133.
  • the first and the second contact element 135 , 136 can be arranged on one side of the surface-emitting semiconductor laser element 130 , for example on the side of the substrate 140 . In this way, shading effects caused by the contact elements 135 , 136 are avoided.
  • the surface emitting semiconductor laser element 130 may further include an aperture 138 for constricting and limiting the flow of current to the central region of the surface emitting semiconductor laser element 130 .
  • a diameter k of the aperture 138 can be greater than 6 ⁇ m.
  • the diameter k of the aperture 138 can be less than 20 ⁇ m.
  • the light-emitting element 127 can also be designed in a different way.
  • Fig. 2C shows another example of a light-emitting element 127, which is implemented as a light-emitting diode (LED).
  • the light-emitting diode has a first semiconductor layer 142 of a first conductivity type, for example p-type, and a second semiconductor layer of a second conductivity type, for example n-type.
  • An active zone 134 is arranged between the first semiconductor layer 142 and the second semiconductor layer 143 .
  • the light-emitting element 127 further includes a first contact element 135 and a second contact element 136 for applying a voltage to the light-emitting element 127 .
  • FIG. 3A shows an example of a perspective view of a semiconductor device 125 with a solder frame 120 applied thereover.
  • the semiconductor device 125 comprises a substrate 140 and a plurality of light-emitting elements 127 which can be arranged according to a predetermined pattern, for example in rows and columns or in a hexagonal pattern, for example.
  • FIG. 3B shows a perspective view of an optoelectronic semiconductor component 10 according to embodiments.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 can, for example, be a combination of the semiconductor device 125 shown in FIG. 3A and the previously described optoelectronic converter element 100 .
  • the individual converter areas 117 can be arranged in a pattern that corresponds to the pattern that the individual light-emitting elements 127 form.
  • the converter areas 117 can be arranged in a hexagonal pattern or in rows or in columns. If the arrangement pattern of the converter regions 117 corresponds to the arrangement pattern of the light-emitting elements 127, then converter regions 117 are present at the points at which electromagnetic radiation hits the optoelectronic converter element 100. Fluorescent material can be saved correspondingly.
  • the openings 112 can have a round cross-section in the x-z plane.
  • the diameter of the opening 112 can also be hexagonal or polygonal.
  • the cross section of the openings 112 is adapted to the shape of the aperture 138 of the surface-emitting semiconductor laser elements 130 .
  • the phosphor 115 is in each case arranged in the openings 112 which are formed in the carrier 110 .
  • a diameter f of the openings 112, measured in the x-z plane, is, for example, larger than the diameter k of the aperture 138 of the surface-emitting semiconductor laser elements 130 . In this way, optical losses can be minimized.
  • the diameter f of the openings 112 can be greater than 1.5 times or greater than 2 times the diameter k of the aperture 138 .
  • the diameter f of the openings 112 on the side facing the light emitting elements 127 may be approximately equal to the diameter k of the apertures 138 of the light emitting elements 127 .
  • the diameter f of the openings 112 can be larger than the diameter k of the apertures 138 of the light-emitting elements 127 .
  • the fig . 4A to 4C illustrate steps for the production of the described optoelectronic converter element.
  • the starting point can, for example, be that shown in FIG. 4A can be carriers shown.
  • Fig. 4A shows a rectangular shape of the carrier 110, it is obvious that the carrier 110 can have the shape of a wafer or a wafer part, for example.
  • the carrier can contain, for example, one of the carrier materials mentioned above or be made of these.
  • apertures 112 are then formed as described above. This can be done, for example, by laser drilling or by etching, for example in connection with a lithographic process.
  • Fig. 4B shows an example of a resulting workpiece 16 .
  • a highly reflective material can optionally be applied in order to form the reflective layer 114 as described above.
  • the converted radiation is visible light or IR radiation
  • Ag can be used as the material of the reflective layer 114 .
  • Au can be used as the material of the reflective layer 114 .
  • the phosphor 115 is then introduced into the individual openings 112 . This can be done, for example, by deposition methods, screen printing methods, an immersion bath, casting or something else.
  • the resulting workpiece 16 may then be ground back or planarized.
  • a singulation can then be carried out, as a result of which individual optoelectronic converter elements 100 are obtained. This is shown schematically in FIG. 4G illustrated.
  • the joining together can take place via wafer bonding processes, for example using tin or an Au/Sn alloy.
  • a solder frame 120 as described above may be previously applied to the light emitting element array 127 .
  • FIG. 5(a) shows an assembly of optoelectronic converter elements 100.
  • FIG. Fig. FIG. 5(b) shows an assembly of semiconductor devices 125 each having an array of light emitting elements 127 .
  • the assembly of semiconductor devices is arranged over a substrate 140 .
  • the assembly can include, for example, a wafer bonding process, for example by Sn/AuSn.
  • the resulting workpiece 26 has, for example, a large number of optoelectronic semiconductor components 10 .
  • the workpiece can then be separated into individual optoelectronic semiconductor components 10 by sawing, as shown in FIG. 5(d) .
  • the optoelectronic semiconductor components 10 are thus manufactured using CSP technology (“chip si ze package”).
  • the optoelectronic semiconductor components 10 therefore have the size of the semiconductor chip. As a result, a high degree of miniaturization of the optoelectronic semiconductor components is achieved.
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor component includes the formation (S 100) of openings in a carrier which has a material with a thermal conductivity greater than 50 W/(m*K), the introduction (S 110) of a phosphor into the Openings thereby defining converter areas and mating (S 120) the carrier with a semiconductor device for generating electromagnetic radiation.
  • the present invention provides an optoelectronic converter element 100 by means of which, on the one hand, the wavelength of the electromagnetic radiation emitted by the optoelectronic semiconductor device can be converted. Due to the special structure of the optoelectronic converter element 100 with a carrier 100 which is made of a material with a high thermal conductivity, heating of the converter can be effectively reduced. As a result, it is possible to operate the semiconductor device at higher currents and thus higher powers and luminances without impairing the optoelectronic semiconductor component due to heat generation occurs. The service life of the converter and also of the optoelectronic semiconductor component is thus lengthened.
  • the optoelectronic converter element is very effective, particularly in connection with a surface-emitting laser element.
  • Areas of application of the optoelectronic semiconductor components 10, which have the semiconductor device and the optoelectronic converter element, include lighting devices with high luminance, for example for special applications, broadband light sources for spectrometry, flashlight for smartphones, which has very high luminous flux or for professional cameras. Another area of application is lighting in the motor vehicle sector.
  • the optoelectronic semiconductor component can also be designed to be very compact.
  • wearables or portable electronic devices such as smart watches, tracking bracelets or fitness bracelets.
  • Such devices have, for example, a sensor and a light source.
  • the sensor can monitor a user's vital functions. If the light source is designed, for example, as an optoelectronic component as described above or with the converter element described here, heating of the device and thus impairment of its performance can be avoided.

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Abstract

Ein optoelektronisches Konverterelement (100) umfasst einen Träger (110), der ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 25 W/ (m*K) aufweist, wobei Öffnungen (112) in dem Träger (110) ausgebildet sind, und einen Leuchtstoff (115), der in den Öffnungen (112) angeordnet ist, wodurch Konverterbereiche (117) definiert werden.

Description

OPTOELEKTRONISCHES KONVERTERELEMENT , OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser oder VCSELs ( "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" ) werden in zunehmendem Maße für Beleuchtungs zwecke eingesetzt . Aufgrund der bei oberflächenemittierenden Lasern auftretenden höheren Leucht- und Energiedichten ist es erforderlich, neuartige Konverterelemente zu entwickeln .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes optoelektronisches Konverterelement sowie ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen . Gemäß Aus führungs formen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert .
Ein optoelektronisches Konverterelement umfasst einen Träger, der ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 25 W/ (m*K) aufweist , wobei Öf fnungen in dem Träger ausgebildet sind, und einen Leuchtstof f , der in den Öf fnungen angeordnet ist , wodurch Konverterbereiche definiert werden . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann der Träger ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 50 W/ (m*K) aufweisen .
Das optoelektronisches Konverterelement kann ferner eine reflektierende Schicht zwischen dem Träger und dem Leuchtstof f aufweisen . Alternativ oder zusätzlich kann das Material des Trägers reflektierend sein . Das Material des Trägers kann reflektierend sein und zum Beispiel an einer Grenz fläche zwischen dem Träger und dem Leuchtstof f eine Ref lektivität für eine von dem Konverterelement konvertierte Strahlung von mindestens mindestens 75 % , mindestens 80 % oder mindestens 90 Prozent aufweisen .
Die zuvor erwähnte optionale reflektierende Schicht zwischen dem Träger und dem Leuchtstof f kann zum Beispiel eine Reflek- tivität für eine von dem Konverterelement konvertierte Strahlung von mindestens mindestens 75 % , mindestens 80 % oder mindestens 90 Prozent aufweisen .
Eine Dicke des Trägers kann mehr als 5 pm betragen . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Dicke auch mehr als 10 pm betragen .
Beispielsweise können die Konverterbereiche entlang von Reihen und Spalten oder gemäß einem hexagonalen Muster angeordnet sein .
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst das optoelektronische Konverterelement wie vorstehend beschrieben und eine Halbleitervorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung . Dabei ist das optoelektronische Konverterelement geeignet , eine Wellenlänge von von der Halbleitervorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung zu verändern .
Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement umfassen . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Halbleitervorrichtung auch eine lichtemittierende Diode ( LED) umfassen .
Beispielsweise weist die Halbleitervorrichtung eine Anordnung von lichtemittierenden Elementen auf . Die Konverterbereiche des optoelektronischen Konverterelements sind j eweils an Positionen angeordnet , die den Positionen der lichtemittierenden Elemente entsprechen .
Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann ferner einen Lotrahmen zwischen der Halbleitervorrichtung und dem optoelektronischen Konverterelement enthalten .
Gemäß Aus führungs formen kann ein Luftspalt zwischen der Halbleitervorrichtung und dem optoelektronischen Konverterelement angeordnet sein .
Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement aus einer Breitband-Lichtquelle für spektroskopische Anwendungen, einem Blitzlicht , einer Kf Z-Beleuchtungsvorrichtung, einem Smartphone oder einem tragbaren elektronischen Gerät (wearable ) ausgewählt sein .
Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden von Öf fnungen in einem Träger, der ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 25 W/ (m*K) aufweist , das Einbringen eines Leuchtstof fs in die Öf fnungen, wodurch Konverterbereiche definiert werden und das Zusammenfügen des Trägers mit einer Halbleitervorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung . Beispielsweise kann der Träger auch ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 50 W/ (m*K) aufweisen .
Beispielsweise werden die Konverterbereiche entlang von Reihen und Spalten oder gemäß einem hexagonalen Muster ausgebildet .
Beispielsweise wird der Leuchtstof f durch Abscheideverfahren, Siebdruckverfahren, ein Tauchbad oder Gießen eingebracht . Gemäß Aus führungs formen umfasst das Verfahren weiterhin das Einbringen eines Lotrahmens zwischen dem Träger und der Halbleitervorrichtung .
Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung eine Viel zahl lichtemittierender Elemente aufweisen . Die Konverterbereiche können j eweils an Positionen, die denen der lichtemittierenden Elemente entsprechen, angeordnet werden .
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung . Die Zeichnungen veranschaulichen Aus führungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung . Weitere Aus führungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung . Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt . Gleiche Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen .
Fig . 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Konverterelements gemäß Aus führungs formen .
Fig . 1B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Konverterelements gemäß weiteren Aus führungs formen .
Fig . 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Aus führungs formen .
Fig . 2B veranschaulicht den Aufbau eines Beispiels eines ober- f ächenemittierenden Halbleiterlaserelements . Fig. 2C zeigt ein weiteres Beispiel eines lichtemittierenden Elements .
Fig. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung .
Fig. 3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements.
Fig. 4A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Trägers zur Ausbildung eines Konverterelements.
Fig. 4B zeigt eine perspektivische Ansicht des Trägers mit Öffnungen und Konverterbereichen.
Fig. 4C zeigt vereinzelte optoelektronische Konverterelemente.
Fig. 5 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements .
Fig. 6 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorderseite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend. Die Beschreibung der Aus führungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Aus führungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird . Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Aus führungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Aus führungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt .
Je nach Verwendungs zweck können im folgenden beschriebene Halbleitermaterialien auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren . Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere NitridHalbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes , blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AIN, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs , AlGaAs , InGaAs , Al InGaAs , SiC, ZnSe , ZnO, Ga2Oa, Diamant , hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien . Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren . Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Sili zium, Sili zium- Germanium und Germanium umfassen . Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begri f f „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein .
Der Begri f f „Substrat" umfasst generell isolierende , leitende oder Halbleitersubstrate .
Üblicherweise kann die Wellenlänge von einem LED-Chip emittierter elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung eines Konvertermaterials, welches einen Leuchtstoff oder Phosphor enthält, konvertiert werden. Beispielsweise kann weißes Licht durch eine Kombination eines LED-Chips, der blaues Licht emittiert, mit einem geeigneten Leuchtstoff erzeugt werden. Beispielsweise kann der Leuchtstoff ein gelber Leuchtstoff sein, der, wenn er durch das Licht des blauen LED-Chips angeregt wird, geeignet ist, gelbes Licht zu emittieren. Der Leuchtstoff kann beispielsweise einen Teil der von dem LED-Chip emittierten elektromagnetischen Strahlung absorbieren. Die Kombination von blauem und gelbem Licht wird als weißes Licht wahrgenommen. Durch Beimischen weiterer Leuchtstoffe, die geeignet sind, Licht einer weiteren, beispielsweise einer roten Wellenlänge, zu emittieren, kann die Farbtemperatur geändert werden. Gemäß weiteren Konzepten kann weißes Licht durch eine Kombination, die einen blauen LED-Chip und einen grünen und roten Leuchtstoff enthält, erzeugt werden. Es ist selbstverständlich, dass ein Konvertermaterial mehrere verschiedene Leuchtstoffe, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen emittieren, umfassen kann.
Beispiele für Leuchtstoffe sind Metalloxide, Metallhalide, Metallsulfide, Metallnitride und andere. Diese Verbindungen können darüber hinaus Zusätze enthalten, die dazu führen, dass spezielle Wellenlängen emittiert werden. Beispielsweise können die Zusätze Seltenerdmaterialien umfassen. Als Beispiel für einen gelben Leuchtstoff kann YAG:Ce3+ (mit Cer aktivierter Yttrium Aluminium Granat (Y3AI5O12) ) oder (Sri.7Bao.2Euo.i) SiO4 verwendet werden. Weitere Leuchtstoffe können auf MSiO4:Eu2+, worin M Ca, Sr oder Ba sein kann, basieren. Durch Auswahl der Kationen mit einer angemessenen Konzentration kann eine erwünschte Konversionswellenlänge ausgewählt werden. Viele weitere Beispiele von geeigneten Leuchtstoffen sind bekannt. Gemäß Anwendungen kann das Leuchtstof fmaterial , beispielsweise ein Leuchtstof fpulver, in ein geeignetes Matrixmaterial eingebettet sein . Beispielsweise kann das Matrixmaterial eine Harzoder Polymerzusammenset zung wie beispielsweise ein Silikonoder ein Epoxidharz umfassen . Die Größe der Leuchtstof f teil- chen kann beispielsweise in einem Mikrometer- oder Nanometerbereich liegen .
Gemäß weiteren Aus führungen kann das Matrixmaterial ein Glas umfassen . Beispielsweise kann das Konvertermaterial durch Sintern des Glases , beispielsweise SiCt mit weiteren Zusätzen und Leuchtstof fpulver gebildet werden, unter Bildung eines Leuchtstof fs im Glas ( PiG) .
Gemäß weiteren Aus führungen kann das Leuchtstof fmaterial selbst unter Ausbildung einer Keramik gesintert werden . Beispielsweise kann als Ergebnis des Sinterprozesses der keramische Leuchtstof f eine polykristalline Struktur haben .
Gemäß weiteren Aus führungen kann das Leuchtstof fmaterial unter Ausbildung eines einkristallinen Leuchtstof fs gewachsen werden, beispielsweise unter Verwendung des Czochralski ( Gz- ) Verfahrens .
Gemäß weiteren Aus führungen kann das Leuchtstof fmaterial selbst ein Halbleitermaterial sein, das im Volumen oder in Schichten eine geeignete Bandlücke zur Absorption des von der LED emittierten Lichtes und zur und der Emission der gewünschten Konversionswellenlänge aufweist . Insbesondere kann es sich hierbei um ein epitaktisch gewachsenes Halbleitermaterial handeln . Beispielsweise kann das epitaktisch gewachsene Halbleitermaterial eine Bandlücke haben, die einer geringeren Energie als der des primär emittierten Lichts entspricht . Weiterhin können mehrere geeignete Halbleiterschichten, die j e- wells Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, übereinander gestapelt sein . Ein oder mehrere Quantentröge bzw . Quantentöpfe , Quantenpunkte oder Quantendrähte können in dem Halbleitermaterial gebildet sein .
Der Begri f f "vertikal" , wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft . Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen .
Die Begri f fe " lateral" und "hori zontal" , wie in dieser Beschreibung verwendet , sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft . Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips ( Die ) sein .
Die hori zontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen .
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begri f f „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen . Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein . Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein .
Der Begri f f „elektrisch verbunden" umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen . Fig . 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Konverterelements 100 gemäß Aus führungs formen . Das optoelektronische Konverterelement 100 umfasst einen Träger 110 , der ein Trägermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 50 W/ (m*K) aufweist . In dem Träger 110 sind Öf fnungen 112 ausgebildet . Die Öf fnungen 112 erstrecken sich von einer ersten Hauptoberfläche 111 des Trägers 110 bis zu einer der ersten Hauptoberfläche 111 gegenüberliegenden Oberfläche des Trägers 110 . Ein Leuchtstof f 115 ist in den Öf fnungen 112 angeordnet . Dadurch werden Konverterbereiche 117 definiert . Der Leuchtstof f 115 erstreckt sich innerhalb der Konverterbereiche 117 von der ersten Hauptoberfläche 111 bis zu der der ersten Hauptoberfläche 111 gegenüberliegenden Oberfläche des Trägers 110 .
Beispiele für das Trägermaterial umfassen Metalle wie beispielsweise Cu, Al , Ag, Au, Metalllegierungen, sowie Keramiken wie beispielsweise AIN, AI2O3, TiÖ2 , Diamant oder SiC . Weitere Beispiele für das Material des Trägers umfassen Kohlenstof f oder andere Kompositmaterialien . Gemäß weiteren Aus führungsformen können auch andere Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet werden .
Die Wärmeleitfähigkeit des Trägermaterials kann beispielsweise größer als 50 oder größer als 100 W/ (m*K) sein . Die Öf fnungen 112 können beispielsweise konisch ausgebildet sein, so dass der Durchmesser der Öf fnungen 112 auf der Seite , die den lichtemittierenden Elementen (nicht gezeigt in Fig . 1A) gegenüberliegen, kleiner ist als der Durchmesser der Öf fnungen 112 auf einer von den lichtemittierenden Elementen abgewandten Seite .
Der Leuchtstof f kann in einem Matrixmaterial , beispielsweise einem Polymer oder einem Glas eingebettet sein . Gemäß Aus füh- rungs formen kann eine reflektierende Schicht 114 mit einem hohen Reflexionsvermögen zwischen dem Träger 110 und dem Leuchtstof f 115 angeordnet sein . Beispielsweise kann die reflektierende Schicht 114 auf den Seitenwänden der Öf fnungen 113 und über der ersten Hauptoberfläche 111 des Trägers 110 angeordnet sein . Die reflektierende Schicht kann beispielsweise Au oder Ag enthalten oder aus diesen Materialien bestehen . Auf diese Weise wird eine Rückreflexion erzeugter Strahlung in Richtung der Halbleitervorrichtung verringert und die gesamte Lichtausbeute kann erhöht werden . Weiterhin wird eine Erwärmung des Konverterelements verringert . Beispielsweise kann eine Schichtdicke des Trägers 100 größer als 10 pm sein . Beispielsweise kann eine Schichtdicke des Trägers 100 kleiner als 100 pm sein . Generell kann eine Schichtdicke des Leuchtstof fs 115 in den Öf fnungen ungefähr der Schichtdicke des Trägers 100 entsprechen . Genauer gesagt gilt 0 , 9* s < d d l , l * s , wobei d die Schichtdicke des Leuchtstof fs 115 bezeichnet und s die Schichtdicke des Trägers 100 angibt .
Fig . 1B zeigt eine Querschnittsansicht des optoelektronischen Konverterelements 100 gemäß weiteren Aus führungs formen . Wie zu sehen ist , sind hier die Öf fnungen - anders als in Fig . 1A dargestellt - zylindrisch ausgebildet . Die weiteren Elemente des optoelektronischen Konverterelements entsprechen denen, die in Fig . 1A dargestellt sind . Auch hier ist die reflektierende Schicht 114 optional und kann weggelassen werden .
Durch die spezielle Ausgestaltung des optoelektronischen Konverterelements 100 kann in den einzelnen Konverterbereichen 117 erzeugte Wärme besonders ef fi zient abgeführt werden . Als Ergebnis werden negative Ef fekte , die mit einer Aufhei zung des Konverterelement verbunden sind, vermieden oder unterdrückt werden . Insbesondere können Schädigungen des Konverterelements vermieden werden, wodurch ihre Lebensdauer erhöht wird . Fig . 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Aus führungsformen . Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst ein optoelektronisches Konverterelement 100 sowie eine Halbleitervorrichtung 125 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung . Das optoelektronische Konverterelement 100 kann wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein . Das optoelektronische Konverterelement 100 ist geeignet , eine Wellenlänge von emittierter elektromagnetischer Strahlung 15 , die von der Halbleitervorrichtung emittiert worden ist , zu verändern .
Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung 125 ein oberflächenemittierendes Laserelement 130 umfassen . Die Halbleitervorrichtung kann gemäß Aus führungs formen eine Viel zahl von lichtemittierenden Elementen 127 umfassen . Dabei können diese lichtemittierenden Elemente 127 beispielsweise oberf ächenemit- tierende Halbleiterlaserelemente 130 sein . Gemäß weiteren Ausführungs formen können die lichtemittierenden Elemente 127 aber auch in anderer Weise ausgeführt sein .
Bei Verwendung einer Viel zahl von lichtemittierenden Elementen 127 können die Konverterbereiche 117 des optoelektronischen Konverterelements 100 Positionen angeordnet sein, die den Positionen der lichtemittierenden Elemente 127 entsprechen . Auf diese Weise kann elektromagnetische Strahlung 15 , die von den einzelnen lichtemittierenden Elementen 127 emittiert worden ist , direkt durch einen zugeordneten Konverterbereich 117 konvertiert werden . Auf diese Weise kann Leuchtstof fmaterial gespart werden, wodurch die Kosten des optoelektronischen Halbleiterbauelements verringert werden .
Beispielsweise können die einzelnen lichtemittierenden Elemente 127 in oder über einem Substrat 140 angeordnet sein . Gemäß Aus führungs formen kann ein Lotrahmen zwischen dem Substrat 140 und dem Konverterelement 100 angeordnet sein . Auf diese Weise kann ein vorbestimmter Abstand zwischen der Emissionsoberfläche der lichtemittierenden Element 127 und den Konverterbereichen 117 bereitgestellt werden . Der Lotrahmen 120 kann in einem Randbereich der Halbleitervorrichtung 125 angeordnet sein . Beispielsweise ist ein Luftspalt zwischen der Emissionsoberfläche und dem Konverterbereich 117 angeordnet . Der Luftspalt hat eine andere Brechzahl und führt somit zu einer verbesserten Strahl formung . Der Luftspalt ist beispielsweise in einem Bereich angeordnet , der von dem Randbereich der Halbleitervorrichtung und des Konverterelements 100 verschieden ist .
Beispielsweise kann ein Material des Lotrahmens 120 Au oder eine Legierung, die Cu, Ni und/oder Au enthält sowie weitere geeignete Materialien aufweisen . Beispielsweise kann eine Dicke des Lotrahmens 120 , die in y-Richtung gemessen ist , größer als 2 pm sein . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Dicke des Lotrahmens 120 kleiner als 10 pm sein . Anordnungsmuster, in denen sowohl die lichtemittierenden Elemente 127 als auch die Konverterbereiche 117 in der x- z-Ebene angeordnet sein können, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig . 3A und 3B näher beschrieben werden .
Fig . 2B zeigt ein Beispiel eines Aufbaus eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements 130 , das gemäß Aus führungs formen ein lichtemittierendes Element 127 , das in Fig . 2A dargestellt ist , darstellen kann . Das oberflächenemittierende Halbleiterlaserelement 130 umfasst einen ersten Resonatorspiegel 131 und einen zweiten Resonatorspiegel 132 sowie eine aktive Zone 134 zur Strahlungserzeugung . Die aktive Zone kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur ( SQW, single quantum well ) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well ) zur Strahlungserzeugung aufweisen . Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung . Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte sowie j ede Kombination dieser Schichten .
Der erste Resonatorspiegel 131 und der zweite Resonatorspiegel 132 können j eweils als DBR-Schichtstapel ( „distributed bragg reflector" ) ausgebildet sein und eine Viel zahl alternierende dünne Schichten unterschiedlicher Brechungsindi zes aufweisen . Die dünnen Schichten können j eweils aus einem Halbleitermaterial oder auch aus einem dielektrischen Material aufgebaut sein . Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > vorgegebener Brechungsindex ) und einen niedrigen Brechungsindex (n< vorgegebener Brechungsindex ) haben . Beispielweise kann die Schichtdicke X/ 4 oder ein Mehrfaches von X/ 4 betragen, wobei X die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem entsprechenden Medium angibt . Der erste oder der zweite Resonatorspiegel kann beispielweise 2 bis 50 Einzelschichten aufweisen . Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielweise 50 nm betragen . Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind . Entsprechend wird zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 131 , 132 ein optischer Resonator 137 ausgebildet .
Wenn der erste Resonatorspiegel 131 nur aus dielektrischen Schichten aufgebaut ist , umfasst der Halbleiterschichtstapel 123 ferner eine erste Halbleiterschicht von einem ersten Leit- f ähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ, die angrenzend an die aktive Zone 134 angeordnet sind . Wenn der zweite Resonatorspiegel 132 nur aus dielektrischen Schichten aufgebaut ist , weist der Halbleiterschichtstapel 123 ferner eine zweite Halbleiter- schicht von einem zweiten Leit f ähigkeitstyp, die in Kontakt mit der aktiven Zone 134 ausgebildet ist , auf . Das oberflächenemittierende Halbleiterlaserelement 130 weist ferner ein erstes Kontaktelement 135 und ein zweites Kontaktelement 136 zum Anlegen einer Spannung an das Laserelement auf . In Fig . 2B sind das erste und das zweite Kontaktelement 135 , 136 an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterschichtstapels 133 angeordnet . Gemäß weiteren Aus führungs formen können das erste und das zweite Kontaktelement 135 , 136 auf einer Seite des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements 130 , beispielsweise auf der Seite des Substrats 140 angeordnet sein . Auf diese Weise werden Abschattungsef fekte durch die Kontaktelemente 135 , 136 vermieden . Das oberflächenemittierende Halbleiterlaserelement 130 kann ferner eine Apertur 138 zum Einschnüren und Begrenzen des Stromflusses auf den mittleren Bereich des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements 130 aufweisen . Ein Durchmesser k der Apertur 138 kann größer als 6 pm sein . Der Durchmesser k der Apertur 138 kann kleiner als 20 pm sein .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das lichtemittierende Element 127 auch in anderer Weise ausgeführt sein . Fig . 2C zeigt ein weiteres Beispiel eines lichtemittierenden Elements 127 , welches als eine lichtemittierende Diode ( LED) ausgeführt ist . Die lichtemittierende Diode weist eine erste Halbleiterschicht 142 von einem ersten Leit f ähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ, und eine zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leit f ähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ auf . Eine aktive Zone 134 ist zwischen der ersten Halbleiterschicht 142 und der zweiten Halbleiterschicht 143 angeordnet . Das lichtemittierende Element 127 umfasst ferner ein erstes Kontaktelement 135 und ein zweites Kontaktelement 136 zum Anlegen einer Spannung an das lichtemittierende Element 127 . Fig . 3A zeigt ein Beispiel einer perspektivischen Ansicht einer Halbleitervorrichtung 125 mit einem darüber aufgebrachten Lotrahmen 120 . Die Halbleitervorrichtung 125 umfasst ein Substrat 140 und eine Viel zahl von lichtemittierenden Elementen 127 , die entsprechend einem vorgegebenen Muster, beispielsweise in Reihen und Spalten oder beispielsweise in einem hexagonalen Muster angeordnet sein können .
Fig . 3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Aus führungs formen . Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann beispielsweise eine Kombination aus der Halbleitervorrichtung 125 , die in Fig . 3A gezeigt ist , und dem zuvor beschriebenen optoelektronischen Konverterelement 100 aufweisen . Die einzelnen Konverterbereiche 117 können in einem Muster angeordnet sein, das dem Muster, das die einzelnen lichtemittierenden Elemente 127 bilden, entspricht . Beispielsweise können die Konverterbereiche 117 in einem hexagonalen Muster oder in Reihen oder in Spalten angeordnet sein . Entspricht das Anordnungsmuster der Konverterbereiche 117 dem Anordnungsmuster der lichtemittierenden Elemente 127 , so liegen Konverterbereiche 117 an den Stellen vor, an denen elektromagnetische Strahlung auf das optoelektronische Konverterelement 100 auf . Entsprechend kann Leuchtstof f eingespart werden .
Wie in Fig . 3B erkennbar ist , können die Öf fnungen 112 in x- z- Ebene einen runden Querschnitt haben . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann der Durchmesser der Öf fnung 112 auch hexagonal oder mehreckig sein . Gemäß Aus führungs formen ist der Querschnitt der Öf fnungen 112 an die Form der Apertur 138 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente 130 angepasst . Der Leuchtstof f 115 ist j eweils in den Öf fnungen 112 , die in dem Träger 110 ausgebildet sind, angeordnet . Ein Durchmesser f der Öf fnungen 112 , der in der x- z-Ebene gemessen ist , ist beispielsweise größer als der Durchmesser k der Apertur 138 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente 130 . Auf diese Weise können optische Verluste minimiert werden . Beispielsweise kann der Durchmesser f der Öf fnungen 112 , größer als das 1 , 5- fache oder größer als das 2- fache des Durchmessers k der Apertur 138 sein . Bei einer konischen Ausbildung der Öf fnungen 112 wie in Fig . 2A gezeigt , kann der Durchmesser f der Öf fnungen 112 auf der Seite , die den lichtemittierenden Elementen 127 zugewandt sein, ungefähr gleich dem Durchmesser k der Aperturen 138 der lichtemittierenden Elemente 127 sein . Auf der Seite , die den lichtemittierenden Elementen 127 abgewandt ist , kann der Durchmesser f der Öf fnungen 112 größer als der Durchmesser k der Aperturen 138 der lichtemittierenden Elemente 127 sein .
Die Fig . 4A bis 4C veranschaulichen Schritte zur Herstellung des beschriebenen optoelektronischen Konverterelements . Ausgangspunkt kann beispielsweise der in Fig . 4A dargestellte Träger sein . Obwohl in Fig . 4A eine rechteckige Form des Trägers 110 dargestellt ist , ist of fensichtlich, dass der Träger 110 beispielsweise die Form eines Wafers oder eines Waferteils haben kann . Der Träger kann beispielsweise eines der vorstehend erwähnten Trägermaterialien enthalten oder aus diesen hergestellt sein . In dem in Fig . 4A dargestellten Träger 110 werden sodann Öf fnungen 112 wie vorstehend beschrieben ausgebildet . Dies kann beispielsweise durch Laserdrilling oder durch Ätzen, beispielsweise in Verbindung mit einem lithographischen Verfahren erfolgen .
Fig . 4B zeigt ein Beispiel eines sich ergebenden Werkstücks 16 . Nachfolgend kann optional ein hochref lektives Material aufgebracht werden, um die reflektierende Schicht 114 wie vorstehend beschrieben aus zubilden . Beispielsweise kann, wenn die konvertierte Strahlung sichtbares Licht oder IR-Strahlung ist , Ag als Material der reflektierenden Schicht 114 verwendet werden . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann, wenn die konvertierte Strahlung IR-Strahlung ist , Au als Material der reflektierenden Schicht 114 verwendet werden . Nachfolgend wird der Leuchtstof f 115 in den einzelnen Öf fnungen 112 eingebracht . Dies kann beispielsweise durch Abscheideverfahren, Siebdruckverfahren, ein Tauchbad, Gießen oder anderes erfolgen . Optional kann daraufhin das sich ergebende Werkstück 16 zurückgeschli f fen oder planarisiert werden . Danach kann gemäß Aus führungs formen eine Vereinzelung durchgeführt werden, wodurch einzelne optoelektronische Konverterelemente 100 erhalten werden . Dies ist schematisch in Fig . 4G veranschaulicht .
Zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements werden nachfolgend entweder die vereinzelten einzelnen Konverterelemente 100 oder der Verbund aus mehreren Konverterelementen, der vor der Vereinzelung vorliegt , über einer Anordnung von lichtemittierenden Elementen 127 aufgebracht . Beispielsweise kann das Zusammenfügen über Waferbonding-Prozesse , beispielsweise unter Verwendung von Zinn oder einer Au/Sn- Legierung erfolgen . Ein Lotrahmen 120 wie vorstehend beschrieben kann zuvor auf der Anordnung von lichtemittierenden Elementen 127 aufgebracht werden .
Fig . 5 ( a ) zeigt einen Verbund von optoelektronischen Konverterelementen 100 . Fig . 5 (b ) zeigt einen Verbund von Halbleitervorrichtungen 125 , die j eweils eine Anordnung von lichtemittierenden Elementen 127 aufweisen . Der Verbund von Halbleitervorrichtungen ist über einem Substrat 140 angeordnet . Nach Zusammenfügen des Verbunds aus Konverterelementen 100 mit dem Verbund von Halbleitervorrichtungen 125 wird das in Fig . 5 ( c ) dargestellte Werkstück 26 erhalten . Das Zusammenfügen kann beispielsweise ein Waferbondverfahren, beispielsweise durch Sn/AuSn beinhalten . Das sich ergebende Werkstück 26 weist beispielsweise eine Viel zahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 auf . Sodann kann durch Sägen eine Vereinzelung des Werkstücks in einzelne optoelektronische Halbleiterbauelemente 10 erfolgen, wie in Fig . 5 ( d) dargestellt ist . Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 sind somit in der CSP-Technologie ( „chip si ze package" ) gefertigt . Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 haben also eine Größe des Halbleiterchips . Als Ergebnis wird ein hohes Maß an Miniaturisierung der optoelektronischen Halbleiterbauelemente erreicht .
Fig . 6 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen . Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das Ausbilden ( S 100 ) von Öf fnungen in einem Träger, der ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 50 W/ (m*K) aufweist , das Einbringen ( S 110 ) eines Leuchtstof fs in die Öf fnungen, wodurch Konverterbereiche definiert werden, und das Zusammenfügen ( S 120 ) des Trägers mit einer Halbleitervorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung .
Wie beschrieben worden ist , wird durch die vorliegende Erfindung ein optoelektronisches Konverterelement 100 bereitgestellt , durch das einerseits die Wellenlänge des von der optoelektronischen Halbleitervorrichtung emittierten elektromagnetischen Strahlung konvertiert werden kann . Durch den speziellen Aufbau des optoelektronischen Konverterelement 100 mit einem Träger 100 , der aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit aufgebaut ist , kann eine Erwärmung des Konverters wirkungsvoll verringert werden . Als Ergebnis ist es möglich, die Halbleitervorrichtung bei höheren Strömen und somit höheren Leistungen und Leuchtdichten zu betreiben, ohne dass eine Beeinträchtigung des optoelektronischen Halbleiter- bauelements aufgrund von Wärmeentwicklung auf tritt . Somit wird die Lebensdauer des Konverters und auch des optoelektronischen Halbleiterbauelements verlängert . Aufgrund dieser Wirkungsweise ist das optoelektronische Konverterelement insbesondere in Verbindung mit einem oberflächenemittierenden Laserelement sehr ef fektiv . Anwendungsbereiche der optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 , welche die Halbleitervorrichtung sowie das optoelektronische Konverterelement aufweisen, umfassen Beleuchtungsvorrichtungen mit hoher Leuchtdichte , beispielsweise für spezielle Anwendungen, Breitband-Lichtquellen für die Spektrometrie , Blitzlicht für Smartphone , welches sehr hohe Lichtströme aufweist oder für professionelle Kameras . Ein weiterer Anwendungsbereich stellt die Beleuchtung im Kf z-Bereich dar . Aufgrund der speziellen Gestaltung des beschriebenen Konverterelements kann das optoelektronische Halbleiterbauelement weiterhin sehr kompakt gestaltet werden . Ein weiterer Anwendungsbereich sind sogenannte Wearables oder tragbare elektronische Geräte wie beispielsweise Smart Watches , Tracking Armbänder oder Fitness Armbänder . Derartige Geräte weisen beispielsweise einen Sensor und eine Lichtquelle auf . Der Sensor kann beispielsweise Vital funktionen eines Benutzers überwachen . Bei Aus führung der Lichtquelle beispielsweise als optoelektronisches Bauelement wie vorstehend beschrieben oder mit dem hier beschriebenen Konverterelement kann eine Erwärmung des Geräts und somit eine Beeinträchtigung seiner Leistungs fähigkeit vermieden werden .
Obwohl hierin spezi fische Aus führungs formen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezi fischen Aus führungs formen durch eine Viel zahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen . Die Anmeldung soll j egliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezi fischen Aus führungs formen abdecken . Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt .
BEZUGSZEICHENLISTE
10 optoelektronisches Halbleiterbauelement
15 emittierte elektromagnetische Strahlung
16 Werkstück
100 optoelektronisches Konverterelement
110 Träger
111 erste Hauptoberfläche des Trägers
112 Öf fnung
114 reflektierende Schicht
115 Leuchtstof f
117 Konverterbereich
120 Lotrahmen
122 Luftspalt
125 Halbleitervorrichtung
127 lichtemittierendes Element
130 oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement
131 erster Resonatorspiegel
132 zweiter Resonatorspiegel
133 Halbleiterschichtstapel
134 aktive Zone
135 erstes Kontaktelement
136 zweites Kontaktelement
137 optischer Resonator
138 Apertur
140 Substrat
141 erste Hauptoberfläche
142 erste Halbleiterschicht
143 zweite Halbleiterschicht

Claims

23 WO 2023/057312 PCT/EP2022/077164 ANSPRÜCHE
1. Optoelektronisches Konverterelement (100) , umfassend: einen Träger (110) , der ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 25 W/ (m*K) aufweist, wobei Öffnungen (112) in dem Träger (110) ausgebildet sind, und einen Leuchtstoff (115) , der in den Öffnungen (112) angeordnet ist, wodurch Konverterbereiche (117) definiert werden, wobei das Material des Trägers reflektierend ist oder das Optoelektronisches Konverterelement (100) ferner eine reflektierende Schicht (114) zwischen dem Träger (110) und dem Leuchtstoff (115) aufweist.
2. Optoelektronisches Konverterelement (100) nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des Trägers (110) mehr als 5 pm beträgt.
3. Optoelektronisches Konverterelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterbereiche (117) entlang von Reihen und Spalten oder gemäß einem hexagonalen Muster angeordnet sind.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) , umfassend das optoelektronische Konverterelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine Halbleitervorrichtung (125) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, wobei das optoelektronische Konverterelement (100) geeignet ist, eine Wellenlänge von von der Halbleitervorrichtung (125) emittierter elektromagnetischer Strahlung (15) zu verändern .
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 4, wobei die Halbleitervorrichtung (125) ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement (130) umfasst.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An- spruch 4, wobei die Halbleitervorrichtung (125) eine licht- emittierende Diode (LED) umfasst.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Halbleitervorrichtung (125) eine Anordnung von lichtemittierenden Elementen (127) aufweist und die Konverterbereiche (117) des optoelektronischen Konverterelements (100) jeweils an Positionen angeordnet sind, die den Positionen der lichtemittierenden Elemente (127) entsprechen .
8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, ferner mit einem Lotrahmen (120) zwischen der Halbleitervorrichtung (125) und dem optoelektronischen Konverterelement (100) .
9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, ferner mit einem Luftspalt (122) zwischen der Halbleitervorrichtung (125) und dem optoelektronischen Konverterelement (110) .
10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, das ausgewählt ist aus einer Breitband- Lichtquelle für spektroskopische Anwendungen, einem Blitzlicht, einer Kf Z-Beleuchtungsvorrichtung einem Smartphone und einem tragbaren elektronischen Gerät (wearable) .
11. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) , mit:
Ausbilden von Öffnungen (112) in einem Träger (110) , der ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 25 W/ (m*K) aufweist, Einbringen eines Leuchtstoffs (115) in die Öffnungen (112) , wodurch Konverterbereiche (117) definiert werden; und Zusammenfügen des Trägers (110) mit einer Halbleitervorrichtung (100) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, wobei das Material des Trägers reflektierend ist oder das Verfahren ferner das Aufbringen einer reflektierenden Schicht (114) vor Einbringen des Leuchtstoffs (115) umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Konverterbereiche (117) entlang von Reihen und Spalten oder gemäß einem hexagonalen Muster ausgebildet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Leuchtstoff (115) durch Abscheideverfahren, Siebdruckverfahren, ein Tauchbad oder Gießen eingebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner mit dem Einbringen eines Lotrahmens (120) zwischen dem Träger (110) und der Halbleitervorrichtung (125) .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Halbleitervorrichtung (125) eine Vielzahl lichtemittierender Elemente (127) aufweist, und die Konverterbereiche (117) jeweils an Positionen, die denen der lichtemittierenden Elemente (127) entsprechen, angeordnet werden.
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