WO2023104932A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements - Google Patents
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Definitions
- the wavelength-converting material is selected from one of the following structural formulas:
- the multiplicity of micro-LED chips in an optoelectronic component are designed in such a way that emissions can be generated in the entire visible and near-infrared spectrum (e.g. from 400 nm - 2000 nm).
- This emission spectrum can be achieved, for example, by combining the emissions of blue, green, red, near-infrared and infrared emitting micro-LED chips, such as combining micro-LED chips and semiconductor chip ships.
- a conversion element it is possible in particular for a conversion element to be arranged only over part of the micro-LED chips or semiconductor chips, while the other part of the micro-LED chips or semiconductor chips is free of a conversion element.
- an inorganic phosphor is embedded in the matrix material.
- the inorganic phosphor emits in the wavelength range greater than or equal to 750 nm.
- the inorganic phosphor is preferably excited by the primary radiation of the semiconductor chip and/or by the already converted secondary radiation of the wavelength-converting material.
- the inorganic A phosphor is, for example, a ceramic or a crystalline phosphor.
- the ceramic and crystalline phosphors include a garnet phosphor, a nitride phosphor, or a combination thereof.
- Conversion elements are arranged on the semiconductor chip.
- An adhesion promoter layer is preferably arranged between the conversion elements. It is also possible for two conversion elements with the same rylene dye to be arranged one on top of the other. The reason for this is that the individual conversion elements can only have a certain maximum concentration of rylene dyes. If the concentration is too high, quenching effects would occur.
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Abstract
Es wird ein optoelektronisches Bauelement (1) angegeben mit - einem Halbleiterchip (2), der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und - zumindest einem Konversionselement (3), - das Konversionselement (3) zur Emission von elektromagnetischer Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs eingerichtet ist, und - die elektromagnetische Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich liegt, wobei - das Konversionselement (3) zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Material (4) und ein Matrixmaterial (5) umfasst, und - das wellenlängenkonvertierende Material (4) ein Rylen-Farbstoff ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) angegeben.
Description
Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
Es werden ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert. Der Halbleiterchip ist zum Beispiel ein Flip-Chip, bei dem beide elektrischen Kontakte auf einer Seite des Halbleiterchips angeordnet sind. Außerdem können sich die elektrischen Kontakte jeweils auf der Ober- und auf der Unterseite des Halbleiterchips befinden. Der Halbleiterchip kann im Betrieb beispielsweise elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenlängenbereich von UV-Strahlung, sichtbarem Licht und/oder Infrarotbereich emittieren. Bevorzugt emittiert der Halbleiterchip im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einer Peakwellenlänge in einem Wellenlängenbereich von wenigstens 400 Nanometer bis höchstens 1000 Nanometer. Besonders bevorzugt emittiert der Halbleiterchip im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einer Peakwellenlänge in einem Wellenlängenbereich von wenigstens 400 Nanometer bis höchstens 700 Nanometer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs im Bereich von 600-700 nm emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement zumindest ein Konversionselement. Das Konversionselement ist insbesondere als Schicht, Verguss, Plättchen oder Folie ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement zur Emission von elektromagnetischer Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs eingerichtet. Der zweite Wellenlängenbereich ist zumindest stellenweise vom ersten Wellenlängenbereich verschieden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform liegt die elektromagnetische Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich. Das optoelektronische Bauelement emittiert bevorzugt breitbandig elektromagnetische Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich. Der Wellenlängenbereich der Sekundärstrahlung liegt insbesondere zwischen 550 nm und 1800 nm, bevorzugt 700 nm bis 1000 nm. Das heißt, insbesondere eine Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung liegt in diesem Wellenlängenbereich .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Material und ein Matrixmaterial. Das wellenlängenkonvertierende Material wandelt die Primärstrahlung des Halbleiterchips teilweise in die Sekundärstrahlung um, während ein weiterer Teil der Primärstrahlung des Halbleiterchips von dem
Konversionselement transmittiert wird. Insbesondere werden zumindest 90 % der emittierten Primärstrahlung des Halbleiterchips in Sekundärstrahlung umgewandelt und höchstens 10 % der Primärstrahlung des Halbleiterchips werden durch das Konversionselement transmittiert.
Das wellenlängenkonvertierende Material kann die Primärstrahlung des Halbleiterchips auch vollständig oder nahezu vollständig in die Sekundärstrahlung umwandeln. Das optoelektronische Bauelement emittiert damit insbesondere die elektromagnetische SekundärStrahlung.
Das Matrixmaterial ist insbesondere ein Polymer, bei dem die Absorption im infraroten Spektralbereich möglichst niedrig ist. Bevorzugt weist das Matrixmaterial im Bereich der Primärstrahlung eine hohe Transparenz auf. Das wellenlängenkonvertierende Material ist insbesondere in dem Matrixmaterial eingebettet. Das wellenlängenkonvertierende Material ist bevorzugt homogen eingebettet, das heißt gleichmäßig in dem Matrixmaterial verteilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das wellenlängenkonvertierende Material ein Rylen-Farbstoff. Als Rylen-Farbstoffe werden kondensierte Naphthalin-Moleküle bezeichnet. Mit Vorteil weisen Rylen-Farbstoffe eine hohe Fotostabilität und eine hohe Fluoreszenzquantenausbeute auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert und zumindest ein Konversionselement, welches zur Emission von elektromagnetischer Sekundärstrahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs eingerichtet ist und die elektromagnetische Sekundärstrahlung teilweise im infraroten Spektralbereich liegt, wobei das Konversionselement zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Material und ein Matrixmaterial umfasst und das wellenlängenkonvertierende Material ein Rylen-Farbstoff ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement dem Halbleiterchip nachgeordnet und zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip ist eine Haftvermittlerschicht angeordnet. Die Haftvermittlerschicht weist ein transparentes Polymer, beispielsweise ein Silikon, auf. Die Haftvermittlerschicht ist insbesondere eine dünne Folie. Das Konversionselement ist dann mechanisch besonders stabil an den Halbleiterchip angebunden .
Alternativ kann das Konversionselement mit dem Halbleiterchip in direktem Kontakt stehen. In diesem Fall ist eine Wärmeableitung aus dem Konversionselement in den Halbleiterchip besonders gut.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Bauelement eine Vielzahl an Halbleiterchips. Dabei ist es möglich, dass nur über einem Teil der Halbleiterchips ein Konversionselement angeordnet ist während der andere Teil der Halbleiterchips frei von einem Konversionselement ist. Die Halbleiterchips, die frei von einem Konversionselement sind, emittieren damit elektromagnetische Primärstrahlung. Die von dem Bauelement emittierte Gesamtstrahlung kann sich aus der elektromagnetischen Primärstrahlung und der elektromagnetischen Sekundärstrahlung zusammensetzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Rylen-Farbstoff ausgewählt aus Perylen, Terylen, Quarterylen oder Kombinationen daraus. Perylen weist zwei kondensierte Naphthaline auf, Terylen weist drei kondensierte Naphthaline auf und Quarterylen umfasst vier kondensierte Naphthaline.
Der Rylen-Farbstoff weist insbesondere Substituenten auf. Die Substituenten sind so ausgewählt, dass der Rylen-Farbstoff besonders gut in dem Matrixmaterial eingebettet werden kann. Das heißt, dass die Substituenten des Rylen-Farbstoffs beispielsweise kovalent an dem Matrixmaterial binden. Dadurch wird ein Zusammenlagern des Rylen-Farbstoffs verhindert.
Insbesondere werden Mischungen aus zwei oder mehr Rylen- Farbstoffen als wellenlängenkonvertierendes Material verwendet. Dadurch kann eine möglichst breitbandige Emission im infraroten Spektralbereich erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das wellenlängenkonvertierende Material die folgende Strukturformel auf:
R ist hierbei jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, NO2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte NH2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen, substituierte und unsubstituierte Alkenylgruppen, Aryloxygruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten, substituierte und
unsubstituierte Heteroaromaten, Nitril-Gruppen, CO2R-Gruppen und CONR2-Gruppen ausgewählt. R2 ist dabei ausgewählt aus H und Alkylgruppen, beispielsweise Methyl-, Propyl- oder Butylgruppen. Bevorzugt ist R aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, Aryloxygruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten ausgewählt. Beispielsweise sind die substituierten und unsubstituierten Aromaten polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe. Beispiele hierfür sind Naphthylgruppen und Anthrazenylgruppen. Als Alkenylgruppen kann eine Halogenalkenylgruppe, beispielsweise eine Fluoralkenylgruppe, verstanden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das wellenlängenkonvertierende Material aus einer der folgenden
Strukturformeln ausgewählt:
wobei R jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe der H- Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen, NO2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte NH2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte Alkenylgruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten, substituierte und unsubstituierte Heteroaromaten, Nitril-Gruppen, CO2R-Gruppen und CONR2- Gruppen ausgewählt ist und wobei R2 aus den dargestellten Strukturformeln und aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid- Atome und D-Atome ausgewählt ist. Als Alkenylgruppe findet
bevorzugt eine Fluoralkenylgruppe Verwendung. R2 ist dabei ausgewählt aus H und Alkylgruppen, beispielsweise Methyl-, Propyl- oder Butylgruppen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das wellenlängenkonvertierende Material die folgende Strukturformel auf:
R ist hierbei jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, NO2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte NH2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen, substituierte und unsubstituierte Alkenylgruppen, Aryloxygruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten, substituierte und unsubstituierte Heteroaromaten, Nitril-Gruppen, CO2R-Gruppen und CONR2-Gruppen ausgewählt. R2 ist dabei ausgewählt aus H und Alkylgruppen, beispielsweise Methyl-, Propyl- oder Butylgruppen. Bevorzugt ist R aus der Gruppe der Halogenid- Atome, D-Atome, Aryloxygruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten ausgewählt. Besonders bevorzugt ist R ausgewählt aus den oben dargestellten Strukturformeln für Ri. Beispielsweise sind die substituierten und unsubstituierten Aromaten polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Beispiele hierfür sind Naphthylgruppen und Anthrazenylgruppen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das wellenlängenkonvertierende Material die folgende Strukturformel auf:
R ist ausgewählt aus den nachfolgend dargestellten
Strukturformeln für Ri, wobei die Reste R innerhalb von R1
unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe der H- Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, und substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen. Bevorzugt sind die Reste R innerhalb von R1 unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe der H-Atome und substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das wellenlängenkonvertierende Material aus einer der folgenden Strukturformeln ausgewählt:
R ist hierbei jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, NO2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte NH2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen, substituierte und unsubstituierte Alkenylgruppen, Aryloxygruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten, substituierte und unsubstituierte Heteroaromaten, Nitril-Gruppen, CO2R-Gruppen und CONR2-Gruppen ausgewählt. R2 ist dabei ausgewählt aus H und Alkylgruppen, beispielsweise Methyl-, Propyl- oder Butylgruppen. Bevorzugt ist R aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, substituierte und unsubstituierte Aromaten und substituierte und unsubstituierte Alkylgruppe ausgewählt. Besonders bevorzugt ist R aus der Gruppe der H- Atome, substituierte und unsubstituierte Aromaten und substituierte und unsubstituierte Alkylgruppe ausgewählt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das wellenlängenkonvertierende Material aus einer der folgenden Strukturformeln ausgewählt:
Die an N gebundenen Reste R sind dabei unabhängig voneinander aus der Gruppe substituierte und unsubstituierte Aromaten, bevorzugt der substituierten Aromaten ausgewählt. Besonders bevorzugt entsprechen die an N gebundenen Reste R Ri mit
Die an C gebundenen Reste R sind dabei unabhängig voneinander aus der Gruppe H-Atome, Halogenid-Atome, D-Atome und substituierte und unsubstituierte Alkylgruppe ausgewählt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das wellenlängenkonvertierende Material aus einer der folgenden Strukturformeln ausgewählt:
Die Substituenten an dem Rylen-Farbstoff führen dazu, dass das wellenlängenkonvertierende Material in dem Matrixmaterial nicht agglomeriert. Somit kommt es nicht zu ungewollten Quenching-Effekten . Weiterhin haben die Substituenten unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Wellenlängenkonversion .
Die Rylen-Farbstoffe sowie die Synthese der Rylen-Farbstoffe sind in der Druckschrift EP 21213300.3 beschrieben, deren Offenbarung hinsichtlich der Synthese der Rylen-Farbstoffe hiermit durch Rückbezug aufgenommen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest ein H- Atom des Rylen-Farbstoffs mit einem Atom mit einer höheren Masse als Wasserstoff ausgetauscht. Das heißt, dass der Rylen-Farbstoff zumindest einen Substituenten aufweist, der eine höhere Masse als Wasserstoff aufweist. Das Atom mit einer höheren Masse ist insbesondere ein Halogenatom oder ein Deuteriumatom. Beispielsweise ist das Atom mit einer höheren Masse ein Fluoratom und/oder ein Deuteriumatom.
Dies führt zu einer Verringerung der Schwingungsenergie. Wenn die Schwingungsenergie reduziert wird, können somit die Zustände bei gleichbleibenden Energieabständen weniger überlappen, was zur Reduktion beziehungsweise zur Unterdrückung der inneren Umwandlung führt. Bei wellenlängenkonvertierenden Materialien kann es zu nichtstrahlenden Übergängen vom elektronisch angeregten Zustand in den Grundzustand kommen. Voraussetzung dafür ist, dass die beiden elektronischen Zustände energetisch überlagert sind, sodass es zu einem Übergang aus dem Schwingungsgrundzustand des elektronisch angeregten Zustands in einen höher angeregten Schwingungszustand des elektronischen Grundzustands kommt. Diese Überlagerung ist umso wahrscheinlicher je geringer der Abstand der elektronischen Zustände, das heißt je größer die Emissionswellenlänge ist. Deshalb wird besonders bevorzugt ein wellenlängenkonvertierendes Material verwendet, welches teilweise oder vollständig ein Atom mit einer höheren Masse als Wasserstoff an der Stelle von Wasserstoffatom im Molekül hat. Das kann zum Beispiel durch eine teilweise oder vollständige Deuterierung oder Fluorierung erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist zumindest eines oder die Gesamtheit der wellenlängenkonvertierenden Materialien in dem Konversionselement eine Konzentration in einem Bereich zwischen einschließlich 0,01 Gew% und einschließlich 1,0 Gew% auf. Bevorzugt weist zumindest eines oder die Gesamtheit der wellenlängenkonvertierenden Materialien in dem Konversionselement eine Konzentration in einem Bereich zwischen einschließlich 0,05 Gew% und einschließlich 0,5 Gew% auf. Bevorzugt weist zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Material in dem Konversionselement eine Konzentration in einem Bereich
zwischen einschließlich 0,01 Gew% und einschließlich 1,0 Gew% auf.
Das wellenlängenkonvertierende Material kann in einer sehr geringen Konzentration verwendet werden. Um in diesen Konzentrationen die Absorption der Primärstrahlung zu erhöhen, kann das wellenlängenkonvertierende Material durch ein weiteres wellenlängenkonvertierendes Material mittels eines nichtstrahlenden Energieübertrages (FRET, Förster- Resonanzenergietransfer) angeregt werden. Hierbei kann ein oder mehrere wellenlängenkonvertierende Materialien, beispielsweise Donor-Materialien, mit einem oder mehreren wellenlängenkonvertierenden, beispielsweise Akzeptor- Materialien, kovalent oder über nicht-kovalente Wechselwirkungen, beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen oder elektrostatischen Wechselwirkungen, miteinander verknüpft sein.
Mit anderen Worten, unterschiedlich absorbierende Rylen- Farbstoffe können über chemische Bindungen miteinander verknüpft werden. In diesen sogenannten Mehrfachfarbstoffen wird die Energie vom kürzerwellig absorbierenden Rylen- Farbstoff auf den längerwellig absorbierenden Rylen-Farbstoff übertragen. Durch gezielte Substitution kann zusätzlich die Form der Absorptionsbande des jeweiligen Rylen-Farbstoffs beeinflusst werden. So bewirken beispielsweise in Ortho- Position substituierte Aryloxyreste eine Erhöhung der Fluoreszenzquantenausbeuten, weshalb diese Reste von besonderem Interesse als Substituenten für den längerwellig absorbierenden, emittierenden Rylen-Farbstoff sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ausgewählt aus Epoxiden, Silikonen, Fluorosilikonen,
Polymethylmethacrylaten, Polysiloxanen, Polycarbonaten,
Melting-Gelen, Glas oder Kombinationen daraus. Bevorzugt ist das Matrixmaterial ausgewählt aus Epoxiden, Silikonen, Glas oder Kombinationen daraus. Insbesondere ist das Matrixmaterial transparent ausgebildet. Das wellenlängenkonvertierende Material ist insbesondere an das Matrixmaterial kovalent oder nicht-kovalent, beispielsweise über Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatischen Bindungen oder Van-der-Waals-Bindungen, gebunden. Dadurch wird mit Vorteil eine Agglomeration von wellenlängenkonvertierenden Materialien verhindert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein Silikon. Bevorzugt enthält das Silikon eine Platinverbindung. Solche Silikone zeigen sich mit Vorteil als besonders beständig gegenüber infraroter Strahlung.
Melting-Gele sind in dem Dokument J. Sol-Gel Sei. Technol. (2010) 55:86-93 beschrieben. Melting-Gele sind eine Klasse von organisch modifizierten Kieselgelen, die bei Raumtemperatur starr sind. Bei einer Temperatur TI fließen die Melting-Gele und bei einer Temperatur T2 verfestigen sie sich. Der Prozess von Erweichung, Verfestigung und Wiedererweichung kann viele Male wiederholt werden. Organisch modifizierte Kieselgele sind beispielsweise monosubstituierte Alkoxysilane und disubstituierte Alkoxysilane.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements ein dichroitischer Spiegel angeordnet. Der dichroitische Spiegel ist insbesondere eine dünne Folie. Der dichroitische Spiegel weist zum Beispiel ein bedampftes Glas auf, welches bestimmte
Wellenlängen selektiv reflektiert und andere Wellenlängen
transmittiert . Der Spiegel hat insbesondere die Aufgabe, die Absorption und anschließende Konversion der Primärstrahlung des Halbleiterchips im Konversionselement zu erhöhen. Der dichroitische Spiegel weist insbesondere SiCt/A^Oa-Schichten auf. Mit Vorteil kann durch den dichroitischen Spiegel die verwendete Konzentration an wellenlängenkonvertierenden Materialien gering gehalten werden. Höhere Konzentrationen des wellenlängenkonvertierenden Materials in dem Konversionselement führen zu einer Erniedrigung der Quanteneffizienz, da die wellenlängenkonvertierenden Materialien zusammenlagern. Zwischen dem dichroitischen Spiegel und dem Konversionselement ist optional eine Haftvermittlerschicht angebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Halbleiterchip und das Konversionselement von einer Verkapselung überformt. Die Verkapselung ist insbesondere gasdicht und feuchtestabil. Die Verkapselung weist beispielsweise ein Metalloxid, bevorzugt AI2O3,SiO2,TiO2,MgO, ZrO2,ZnO und Kombinationen daraus, oder ein Metallnitrid, bevorzugt Si3N4, AIN und BN, auf. Die Dicke der Verkapselung liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 2 bis einschließlich 500 nm. Besonders bevorzugt liegt die Dicke der Verkapselung in einem Bereich von einschließlich 15 nm bis einschließlich 50 nm.
Der Halbleiterchip und das Konversionselement können auch seitlich von der Verkapselung umgeben sein. Die Verkapselung kann beispielsweise durch eine chemische Gasphasenabscheidung, durch eine Atomlagenabscheidung, durch eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, durch eine physikalische Gasphasenabscheidung, durch eine metallorganische Gasphasenepitaxie, durch eine Electron Beam Processing-Behandlung, durch eine Molekularstrahlepitaxie elektrolytisch oder nasschemisch aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Primärstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 550 nm und einschließlich 1000 nm. Die Energiedifferenz zwischen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung ist bevorzugt minimiert. Das heißt, dass ein Emissionsmaximum der Primärstrahlung bei einer Wellenlänge liegt, die einen möglichst geringen Abstand zum Emissionsspektrum der Sekundärstrahlung aufweist. Das Emissionsmaximum ist die Wellenlänge, bei der das wellenlängenkonvertierende Material bzw. der Halbleiterchip die größte Emission aufzeigt. Beispielsweise ist die Energiedifferenz kleiner als 0,5 eV, bevorzugt kleiner als 0,25 eV und besonders bevorzugt kleiner als 0,1 eV.
Eine Anregungswellenlänge der wellenlängenkonvertierenden Materialien ist insbesondere zwischen einschließlich 550 nm und einschließlich 1000 nm. Besonders bevorzugt weist das wellenlängenkonvertierende Material ein Absorptionsmaximum in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 600 nm und einschließlich 700 nm auf. Insbesondere ist das Absorptionsmaximum ein lokales Absorptionsmaximum. Besonders bevorzugt ist die Quanteneffizienz größer als 10 %.
Als Halbleiterchip für Wellenlängen im Bereich von einschließlich 550 nm bis einschließlich 800 nm wird ein InGaAlP-Halbleiterchip verwendet. Oberhalb von 800 nm kann ein InGaAs/AlGaAs-Halbleiterchip verwendet. Die Materialien Gallium, Indium und Arsen verschieben die Emission zu größeren Wellenlängen und Aluminium und Phosphor zu kürzeren Wellenlängen. Eine Halbwertsbreite liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 40 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip ein mikro LED Chip. Der mikro LED Chip weist insbesondere eine Pixelgröße von kleiner als 100 pm auf 100 pm auf. Die Pixelgröße kann größer als 1 pm auf 1 pm sein.
Im Vergleich zu herkömmlichen anorganischen Leuchtstoffen können die erfindungsgemäßen Farbstoffe auch bei mikro LED Chips angewendet werden. Anorganische Leuchtstoffe weisen typische Partikelgrößen von 5 pm bis 100 pm auf, wodurch unter anderem die Aspektverhältnisse nicht nachgebildet werden können. Ebenso besitzen die erfindungsgemäßen Rylen Farbstoffe eine höhere Absorption bei einer gleichen Schichtdicke des Konversionsmaterials, z.B. dünner als 20pm. Die vom Halbleiterchip emittierte elektromagnetische Primärstrahlung kann teilweise oder vollständig (i.e. >95%) in eine Sekundärstrahlung mit einer dünn ausgestalteten Konversionsschicht bzw. einem Konversionselement konvertiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement eine Vielzahl an mikro LED Chips auf. Die mikro-LED Chips können hierbei eine rechteckige oder quadratische Grund- und/oder Emissionsfläche aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die mikro-LED eine runde Grund- und/oder Emissionsfläche aufweisen. Die Grundfläche eines mikro-LED Chips ist bevorzugt kleiner als 0.01 mm2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Vielzahl an mikro-LED Chips in einem optoelektronischen Bauelement durch ein gemeinsames Substrat oder Träger verbunden. Bevorzugt dient das Substrat oder der Träger, als gemeinsamer elektrischer Anschluss der mikro-LEDs. Der Träger oder das
Substrat kann elektronische Bauelemente, wie beispielweise IC und/oder CMOS enthalten. Das gemeinsame Substrat oder der gemeinsame Träger kann eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschicht sein. Beispielweise kann diese Schicht aus einer beliebigen Kombination von (In, Al, Ga) und (N, As, P, Sb) bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Vielzahl an mikro-LED Chips in einem optoelektronischen Bauelement so gestaltet, dass Emissionen im gesamten sichtbaren und nahen infraroten Spektrum (z.B. von 400 nm - 2000 nm) generiert werden können. Dieses Emissionsspektrum kann z.B. durch die Kombination der Emissionen von blauen, grünen, roten, nahinfraroten und infrarot emittierender mikro-LED Chips, so wie der Kombination von mikro-LED Chips und Halbleiterchipships erreicht werden. Dabei ist es insbesondere möglich, dass nur über einem Teil der mikro-LED Chips oder Halbleiterchips ein Konversionselement angeordnet ist während der andere Teil der mikro-LED Chips oder Halbleiterchips frei von einem Konversionselement ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die mikro-LED Chips mit zumindest einem Detektor kombiniert. Der zumindest eine Detektor kann in oder außerhalb des optoelektronischen Bauelements angeordnet sein. Der zumindest einen Detektors kann als Sensor ausgestaltet sein..
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Primärstrahlung kleiner als 550 nm. Insbesondere liegt die Primärstrahlung in einem Wellenlängenbereich von einschließlich 350 nm bis einschließlich 550 nm. Hierbei wird zum Beispiel ein InGaN- Halbleiterchip verwendet. Der InGaN-Halbleiterchip emittiert eine Primärstrahlung im Wellenlängenbereich von 420 nm bis
470 nm. Die emittierte Primärstrahlung wird bevorzugt zu größer 90 %, beispielsweise zu größer 95 %, in die Sekundärstrahlung konvertiert. Weiterhin können AlInGaN- Halbleiterchips verwendet werden. Die Primärstrahlung des AlInGaN-Halbleiterchips kann durch die Konzentration von Indium eingestellt werden. Die Primärstrahlung liegt insbesondere hierbei zwischen 380 nm und einschließlich 560 nm. Die Halbwertsbreite liegt in einem Bereich zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 30 nm und kann ebenfalls auf 1 nm Genauigkeit eingestellt werden. Die Sekundärstrahlung liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 550 nm und einschließlich 1000 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt zumindest 50% der emittierten Sekundärstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 700 nm und einschließlich 1000 nm. Bevorzugt liegt zumindest 80% der emittierten Sekundärstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 700 nm und einschließlich 1000 nm. Mit anderen Worten konvertiert das Konversionselement zumindest 50%, bevorzugt zumindest 80% der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 700 nm und einschließlich 1000 nm. Die Sekundärstrahlung liegt somit im infraroten Spektralbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in dem Matrixmaterial ein anorganischer Leuchtstoff eingebettet. Insbesondere emittiert der anorganische Leuchtstoff im Wellenlängenbereich von größer gleich 750 nm. Bevorzugt wird der anorganische Leuchtstoff von der Primärstrahlung des Halbleiterchips angeregt und/oder von der bereits konvertierten Sekundärstrahlung des wellenlängenkonvertierenden Materials. Der anorganische
Leuchtstoff ist beispielsweise ein keramischer oder ein kristalliner Leuchtstoff. Insbesondere weisen die keramischen und kristallinen Leuchtstoffe einen Granat-Leuchtstoff, einen Nitrid-Leuchtstoff oder eine Kombination daraus auf.
Beispiele für Leuchtstoffe sind im Folgenden dargestellt:
Cr3+, Sm3+, Yb3+, Nd+, Bi2+, Dy3+, Ho3+, Ni2+, Zr4+, Cr4+, Ca2+, Er3+ und/oder Tm3+ dotierte Leuchtstoffe der allgemeinen Formeln RE3 (Al,Ga,Sc)5O12, Ca3Al2Ge2010, Ca14Zn6Al10O35, LiAl5O8,
Bei dem Nitrid-Leuchtstoff kann es sich beispielsweise um ein Erdalkalisiliziumnitrid, ein Oxynitrid, ein Aluminiumoxynitrid, ein Siliziumnitrid oder ein Sialon handeln. Beispielsweise handelt es sich bei dem Nitrid- Leuchtstoff um
alleine oder in Kombination .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in dem Matrixmaterial ein Quantenpunkt und/oder ein Nanopartikel eingebettet. Beispielsweise kann als Halbleitermaterial für die Quantenpunkte CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AIP, AIAs, AlSb, InP, InAs, InSb, GaSb, SiC, InN, AIN, GaN, BN, ZnO, MgO, lnSnO2, SnO2 oder deren Mischkristalle verwendet werden. Insbesondere kann eine
Kombination von mehreren unterschiedlichen Halbleitermaterialien verwendet werden.
Bevorzugt besitzt das Halbleitermaterial eine Bandlücke entsprechend Wellenlängen im Bereich von einschließlich 900 nm bis einschließlich 2 pm. Als Halbleitermaterial für die Quantenpunkte können auch Core Shell-Architekturen verwendet werden. Der Energieunterschied der Bandlücke zwischen dem Core-Halbleitermaterial und dem Shell-Material beträgt beispielsweise 0,5 eV. Dabei ist die Bandlücke des einbettenden Materials bevorzugt größer. Als Halbleitermaterial für das Shell-Material wird beispielsweise CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AIP, AIAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, InN, AIN, deren Mischkristalle oder eine Kombination von mehreren unterschiedlichen Halbleitermaterialien verwendet. Die Einbettung von Quantenpunkten in das Konversionselement führt dazu, dass die emittierte Sekundärstrahlung gezielt eingestellt werden kann.
Die Nanopartikel sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von Metalloxiden und Metallnitriden. Beispielsweise sind die Nanopartikel amorphe oder polykristalline Verbindungen. Die Nanopartikel sind beispielsweise Metalloxide, bevorzugt AI2O3, SiO2,TiO2,MgO, ZrO2,ZnO und Kombinationen daraus und/oder Metallnitride, bevorzugt Si3N4, AIN und BN. Durch das Einbetten der Nanopartikel in das Konversionselement lässt sich die Lichtstreuung im Konversionselement mit Vorteil einstellen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Oberfläche des Konversionselements eine Auskoppelstruktur auf. Insbesondere weist die Oberfläche des Konversionselements
eine unebene Struktur auf. Beispielsweise befindet sich auf der Oberfläche des Konversionselements eine pyramidenförmige Struktur. Insbesondere kann die Oberfläche des Konversionselements eine regelmäßige 3D-Strukturierung besitzen. Die Auskoppelstruktur führt zu einer verbesserten Lichtauskopplung. Die Auskoppelstruktur wird beispielsweise durch Ätzen, Stempeln, Ritzen oder Laserablation erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zumindest zwei Konversionselemente dem Halbleiterchip nachgeordnet, wobei ein erstes Konversionselement der zumindest zwei Konversionselemente, das näher an dem Halbleiterchip angeordnet ist, einen ersten Rylen-Farbstoff aufweist, dessen Sekundärstrahlung im langwelligeren Wellenlängenbereich ist als die Sekundärstrahlung eines zweiten Rylen-Farbstoffs in einem zweiten Konversionselement der zumindest zwei Konversionselemente, welches weiter von dem Halbleiterchip entfernt ist. Das bedeutet beispielsweise, dass das optoelektronische Bauelement zwei Konversionselemente aufweist und das erste Konversionselement den ersten Rylen- Farbstoff aufweist und das zweite Konversionselement den zweiten Rylen-Farbstoff. Der erste Rylen-Farbstoff unterscheidet sich von dem zweiten Rylen-Farbstoff dadurch, dass der erste Rylen-Farbstoff die Primärstrahlung des Halbleiterchips in eine Sekundärstrahlung im langwelligeren Wellenlängenbereich konvertiert. Das erste Konversionselement mit dem ersten Rylen-Farbstoff ist näher an dem Halbleiterchip angeordnet. Die unterschiedlichen Konversionseigenschaften der Rylen-Farbstoffe sind durch die Substituenten an den Rylen-Farbstoffen einstellbar.
Weiterhin ist auch möglich, dass mehr als zwei
Konversionselemente auf dem Halbleiterchip angeordnet sind.
Zwischen den Konversionselementen ist bevorzugt eine Haftvermittlerschicht angeordnet. Es ist auch möglich, dass zwei Konversionselemente mit dem gleichen Rylen-Farbstoff aufeinander angeordnet sind. Der Grund hierfür ist, dass die einzelnen Konversionselemente nur eine bestimmte Höchst- Konzentration an Rylen-Farbstoffen aufweisen können. Bei einer zu hohen Konzentration würde es zu Quenching-Effekten kommen.
Insbesondere sind in den Konversionselementen anorganische Leuchtstoffe, Quantenpunkte und/oder Nanopartikel eingebettet .
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Insbesondere kann mit dem hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement hergestellt werden. Das heißt, sämtliche Merkmale, die für das Verfahren zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente offenbart sind, sind auch für das optoelektronische Bauelement offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements wird ein Halbleiterchip bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, im Betrieb Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zu emittieren. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein hier beschriebenes Konversionselement hergestellt, was zu Emission von Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs eingerichtet ist und die elektromagnetische Sekundärstrahlung liegt im infraroten Spektralbereich. In einem weiteren Schritt wird das Konversionselement auf den Halbleiterchip aufgebracht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Konversionselement vor dem Aufbringen auf den Halbleiterchip auf einem Substrat aufgebracht und das Konversionselement und das Substrat werden vereinzelt. Das Substrat ist insbesondere ein transparentes Substrat. Das transparente Substrat ist beispielsweise ein Glas, eine Keramik, ein Kunststoff, ein Silikon oder ein Saphir.
Eine Vielzahl von Substraten mit dem Konversionselement oder die zerteilten Substrate mit dem Konversionselement werden auf dem Halbleiterchip aufgebracht. Das Konversionselement wird bevorzugt mit der dem Substrat abgewandten Seite auf dem Halbleiterchip aufgebracht. Das Substrat wird beispielsweise nach dem Aufbringen von dem Konversionselement abgelöst.
Es wird beispielsweise eine Vielzahl an Konversionselemente auf dem Substrat aufgebracht. Somit kann ein optoelektronisches Bauelement mit einer Vielzahl von Konversionselementen erhalten werden. Abschließend wird beispielsweise ein dichroitischer Spiegel auf das Konversionselement aufgebracht.
Eine Idee des vorliegenden optoelektronischen Bauelements ist es, Licht im infraroten Spektralbereich zu emittieren. Ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement findet Anwendung im Sensorik-Bereich, bei Überwachungen und für Miniaturspektrometer. Miniaturspektrometer sind für verschiedene Anwendungen von Interesse, beispielsweise Nahrungsmittelanalyse oder Biomonitoring. Insbesondere können die Mikrospektrometer in Smartphones eingesetzt werden.
Weiterhin kann es durch die Verwendung einer Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von größer 550 nm zu reduzierten Verlusten durch die Energiedifferenz von Anregung zu Emission kommen. Zusätzlich kommt es durch die Verwendung eines nicht partikulären, wellenlängenkonvertierenden Materials zu reduzierten Verlusten durch Streuung.
Ein weiterer Vorteil ist die Verwendung einer Kombination aus wellenlängenkonvertierenden Materialien und einem Quantenpunkt. Dadurch kann die Wellenlänge des emittierenden Spektrums flexibler eingestellt werden und für die Anwendung optimiert werden.
Weiterhin ist die Menge von schwermetallhaltigen Quantenpunkten in einem optoelektronischen Bauelement durch die RoHS-Richtlinien (englisch: Restriction of hazardous substances') limitiert. In der Kombination kann dadurch eine vorteilhafte spektrale Ausführung erreicht werden unter Erfüllung von gesetzlichen Gefahrstoffauflagen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figuren 1, 3 und 8 schematische Schnittdarstellungen eines optoelektronischen Bauelements gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine Draufsicht auf ein optoelektronisches
Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 4 und 12 Emissionsspektren eines optoelektronischen
Bauelements gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 5, 6, 7, 9, 10, 11 und 13 jeweils ein Emissionsspektrum eines optoelektronischen Bauelements sowie eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
Figur 14 ein Transmissionsspektrum eines dichroitischen Spiegels, und
Figur 15 ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel .
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist einen Halbleiterchip 2 und ein Konversionselement 3 auf. Das Konversionselement 3 ist direkt auf der Oberseite des Halbleiterchips 2 appliziert. Zwischen dem Konversionselement 3 und dem Halbleiterchip 2 ist optional eine Haftvermittlerschicht 12 angeordnet. Die Haftvermittlerschicht 12 weist beispielsweise ein Silikon auf. Der Halbleiterchip 2 und das Konversionselement 3 sind seitlich von einer Einfassung 5
umgeben. Die Einfassung 5 weist Titandioxid und ein Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, auf. Der Halbleiterchip 2 ist auf einem Träger 7 angeordnet. Seitlich ist die Einfassung 5 von einem Gehäuse 6 umgeben. Optional kann der Halbleiterchip 2 und das Konversionselement 3 von einer Verkapselung überformt sein.
Das Konversionselement 3 weist zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Material 4 und ein Matrixmaterial 5 auf. Das wellenlängenkonvertierende Material 4 ist ein Rylen-Farbstoff . Der Rylen-Farbstoff ist ausgewählt aus Perylen, Terylen, Quarterylen oder Kombinationen daraus. Das wellenlängenkonvertierende Material 4 weist bevorzugt einen Terylen-Farbstoff auf. Das wellenlängenkonvertierende Material 4 weist die folgende Strukturformel auf:
R ist hierbei jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, NO2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte NH2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen, substituierte und unsubstituierte Alkenylgruppen, Aryloxygruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten, substituierte und unsubstituierte Heteroaromaten, Nitril-Gruppen, CO2R-Gruppen und CONR2-Gruppen ausgewählt. R2 ist dabei ausgewählt aus H und Alkylgruppen, beispielsweise Methyl-, Propyl- oder Butylgruppen. Bevorzugt ist R aus der Gruppe der H-Atome,
Halogenid-Atome, D-Atome, Aryloxygruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten ausgewählt. Als Alkenylgruppen kann eine Halogenalkenylgruppe, beispielsweise eine Fluoralkenylgruppe, verstanden werden.
Das wellenlängenkonvertierende Material 4 ist beispielsweise aus einer der folgenden Strukturformeln ausgewählt:
wobei R jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe der H- Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen, NO2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte NH2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte Alkenylgruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten, substituierte und unsubstituierte Heteroaromaten, Nitril-Gruppen, CO2R-Gruppen und CONR2- Gruppen ausgewählt ist. R2 ist dabei ausgewählt aus H und Alkylgruppen, beispielsweise Methyl-, Propyl- oder Butylgruppen. R2 kann neben den oben dargestellten Strukturformeln zusätzlich aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome und D-Atome ausgewählt sein.
Im Folgenden sind der erste Rylen-Farbstoff 41, der zweite Rylen-Farbstoff 42 und der dritte Rylen-Farbstoff 43 dargestellt :
Die unterschiedlichen Substituenten an dem Rylen-Farbstoff führen dazu, dass das wellenlängenkonvertierende Material 4 in dem Matrixmaterial 5 nicht agglomeriert. Somit kommt es nicht zu ungewollten Quenching-Reaktionen. Weiterhin haben die Substituenten unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Wellenlängenkonversion.
Bei dem Rylen-Farbstoff kann außerdem ein Wasserstoffatom mit einem Atom mit einer höheren Masse als Wasserstoff ausgetauscht werden. Das Atom mit einer höheren Masse ist ein Deuteriumatom und/oder ein Fluoratom.
Zumindest eines oder die Gesamtheit der wellenlängenkonvertierenden Materialien 4 in dem Konversionselement 3 weisen eine Konzentration in einem Bereich zwischen einschließlich 0,01 Gew% und einschließlich 1 Gew% auf. Eine zu hohe Konzentration an wellenlängenkonvertierenden Materialien 4 führt zu einer Zusammenlagerung der wellenlängenkonvertierenden Materialien 4 und somit zu einem Quenching-Effekt.
Die Rylen-Farbstoffe sind so ausgewählt, dass sie besonders gut an dem Matrixmaterial 5 mit kovalenten und/oder
koordinativen Bindungen binden können und somit eine Zusammenlagerung der wellenlängenkonvertierenden Materialien
4 verhindern. Das Matrixmaterial 5 ist hierbei ein Polycarbonat .
Das optoelektronische Bauelement 1 emittiert Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich. Die Sekundärstrahlung liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 700 nm und einschließlich 1000 nm. Die Primärstrahlung, die vom Halbleiterchip 2 emittiert wird, liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 550 nm und einschließlich 1000 nm. Alternativ kann die Wellenlänge der Primärstrahlung, die vom Halbleiterchip 2 emittiert wird, kleiner als 550 nm sein.
In dem Konversionselement 3 kann zusätzlich zu dem wellenlängenkonvertierenden Material 4 ein anorganischer Leuchtstoff und/oder ein Quantenpunkt und/oder ein Nanopartikel eingebettet sein. Die Oberfläche des Konversionselements 3 weist beispielsweise eine Auskoppelstruktur 10 auf. Die Auskoppelstruktur 10 ist beispielsweise uneben.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 zeigt ein optoelektronisches Bauelement 1 in einer Draufsicht. Hierbei ist das Konversionselement 3 mit einem wellenlängenkonvertierenden Material 4 zu sehen.
In der Figur 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das optoelektronische Bauelement 1 der Figur 3 unterscheidet sich von dem optoelektronischen
Bauelement 1 der Figur 1 dadurch, dass das Konversionselement
3 als Verguss ausgebildet ist. Das Konversionselement 3 umgibt den Halbleiterchip 2 seitlich und an der Oberseite des Halbleiterchips 2. Das wellenlängenkonvertierende Material 4 des Konversionselements 3 der Figur 3 weist die Strukturformel des zweiten Rylen-Farbstoffs 42 auf.
In der Figur 4 sind fünf Emissionsspektren des optoelektronischen Bauelements 1 der Figur 3 gezeigt. Das Emissionsspektrum ist die normalisierte, spektrale Intensität nl der von dem optoelektronischen Bauelement 1 ausgesandten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge X. Die Emissionsspektren weisen vier Emissionsmaxima El, E2, E3 und E4 auf. Die Wellenlänge des Emissionsmaximums El liegt zwischen 630 nm und 680 nm. Die Wellenlänge des Emissionsmaximums E2 liegt zwischen 730 nm und 820 nm und die Wellenlänge des Emissionsmaximums E3 liegt zwischen 680 nm und 730 nm. Das vierte Emissionsmaximum E4 liegt bei etwa 850 nm. Das vierte Emissionsmaximum E4 ist im Vergleich zu den Emissionsmaxima E2 und E3 weniger intensiv. Das Emissionsmaximum El zeigt die Primärstrahlung des Halbleiterchips 2, welche nicht konvertiert wurde. Die Emissionsmaxima E2 und E3 zeigen die Sekundärstrahlung des wellenlängenkonvertierenden Materials 4.
Die fünf unterschiedlichen Emissionsspektren wurden mit fünf unterschiedlichen optoelektronischen Bauelementen 1 erhalten. Hierbei wurde die Konzentration des wellenlängenkonvertierenden Materials 4 in dem Konversionselement 3 variiert. Die Konzentration von dem wellenlängenkonvertierenden Material 4 variiert von 0,06 Gew% bis 0,012 Gew%. Bei einer geringeren Konzentration wird auch eine geringe Intensität bei der Emission der Sekundärstrahlung erhalten. Die Intensität der Emission kann
auch bei konstanter Konzentration jedoch durch die Größe des optoelektronischen Bauelements kontrolliert werden. Das heißt die Intensität kann auch durch die Länge des Lichtwegs kontrolliert werden.
In der Figur 5 sind ein Emissionsspektrum sowie eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das optoelektronische Bauelement 1 zeigt im Vergleich zu der Figur 1 ein erstes Konversionselement 31 und ein zweites Konversionselement 32. Die Konversionselemente 3 sind hierbei als Folien ausgebildet. Zwischen den Konversionselementen 3 ist optional eine Haftvermittlerschicht 12 angeordnet. Das erste Konversionselement 31 weist den ersten Rylen-Farbstoff
41 auf. Das zweite Konversionselement 32 weist den zweiten Rylen-Farbstoff 42 auf. Das erste Konversionselement 31 ist näher an dem Halbleiterchip 2 angeordnet als das zweite Konversionselement 32. Der erste Rylen-Farbstoff 41 weist eine Sekundärstrahlung im langwelligeren Wellenlängenbereich auf, als die Sekundärstrahlung des zweiten Rylen-Farbstoffs
42.
Das nebenstehende Emissionsspektrum zeigt die Emission des optoelektronischen Bauelements 1. Hierbei ist die normalisierte Intensität nl gegen die Wellenlänge λ aufgetragen. Es sind auch hier zwei Emissionsmaxima El und E2 zu sehen. Das Emissionsmaximum El befindet sich zwischen 640 nm und 700 nm und das zweite Emissionsmaximum E2 liegt zwischen 750 nm und 850 nm.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 6 zeigt ein optoelektronisches Bauelement 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das optoelektronische Bauelement 1 weist
im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 zwei erste Konversionselemente 31 und ein zweites Konversionselement 32 auf. Die ersten Konversionselemente 31 umfassen einen ersten Rylen-Farbstoff 41 und das zweite Konversionselement 32 umfasst einen zweiten Rylen-Farbstoff 42.
Ebenso ist in der Figur 6 ein Emissionsspektrum des nebenstehenden optoelektronischen Bauelements 1 gezeigt. Auch hier sind zwei Emissionsmaxima El, E2 gezeigt. Das erste Emissionsmaximum El liegt zwischen 650 nm und 700 nm und zeigt die Primärstrahlung des Halbleiterchips 2. Das zweite Emissionsmaximum E2 befindet sich zwischen 770 nm und 810 nm und zeigt die Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich.
Das in der Figur 7 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein optoelektronisches Bauelement 1 mit einem ersten Konversionselement 31 und zwei zweiten Konversionselementen 32. Das direkt an dem Halbleiterchip 2 angeordnete erste Konversionselement 31 weist den ersten Rylen-Farbstoff 41 auf und die zwei nachfolgend angeordneten zweiten Konversionselemente 32 weisen den zweiten Rylen-Farbstoff 42 auf.
Das nebenstehende Emissionsspektrum der Figur 7 zeigt auch hier zwei Emissionsmaxima El und E2. Das erste Emissionsmaximum El liegt zwischen 650 nm und 670 nm und das zweite Emissionsmaximum E2 liegt zwischen 760 nm und 810 nm.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 8 ist zusätzlich auf dem Konversionselement 3 ein dichroitischer Spiegel 8 angeordnet. Der dichroitische Spiegel 8 weist Schichten aus
auf. Das Konversionselement 3 kann mehrere
Konversionselemente 3 aufweisen.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 9 zeigt ein Konversionselement aufweisend ein erstes Konversionselement 31 mit einem ersten Rylen-Farbstoff 41 und ein zweites Konversionselement 32 mit einem zweiten Rylen-Farbstoff 42. Das erste Konversionselement 31 befindet sich zwischen dem zweiten Konversionselement 32 und dem Halbleiterchip 2. Auf der Seite des zweiten Konversionselements 32, die von dem Halbleiterchip 2 abgewandt ist, befindet sich ein dichroitischer Spiegel 8. Der dichroitische Spiegel 8 ist dazu vorgesehen, Primärstrahlung, die von dem Halbleiterchip 2 emittiert wird, so lange zu reflektieren, bis sie von dem wellenlängenkonvertierenden Material 4 konvertiert ist. Die konvertierte Strahlung wird dann von dem optoelektronischen Bauelement 1 emittiert. Auch hierzu ist ein Emissionsspektrum mit zwei Emissionsmaxima E1 und E2 gezeigt.
In den Figuren 10 und 11 ist ebenso ein optoelektronisches Bauelement 1 gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Figuren 10 und 11 unterscheiden sich dadurch, dass in der Figur 10 zwei erste Konversionselemente 31 gezeigt sind und ein zweites Emissionselement 32 und in der Figur 11 ein erstes Konversionselement 31 und zwei zweite Konversionselemente 32 gezeigt sind. Beide optoelektronischen Bauelemente 1 weisen einen dichroitischen Spiegel 8 auf.
Nebenstehend zu den Schnittdarstellungen der optoelektronischen Bauelemente 1 ist jeweils ein Emissionsspektrum gezeigt. Beide Emissionsspektren zeigen zwei Emissionsmaxima E1 und E2. Ein erstes Emissionsmaximum El liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen 650 nm und 680
nm und ein zweites Emissionsmaximum E2 liegt in einem
Wellenlängenbereich zwischen 770 nm und 810 nm.
Das in der Figur 12 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt zwei Emissionsspektren mit einem ersten Emissionsmaximum El, einem zweiten Emissionsmaximum E2, einem dritten Emissionsmaximum E3 und einem vierten Emissionsmaximum E4. Die Emissionsspektren wurden mit einem optoelektronischen Bauelement 1 aufweisend ein Konversionselement 3 mit einem dritten Rylen-Farbstoff 43 erhalten. In dem Konversionselement 3 variiert die Konzentration des dritten Rylen-Farbstoffs 43. Ein optoelektronisches Bauelement 1 weist eine Konzentration des dritten Rylen-Farbstoffs 43 von 0,2 Gew% auf und ein weiteres optoelektronisches Bauelement 1 weist eine Konzentration des dritten Rylen-Farbstoffs 43 von 0,063 Gew% auf. Bei der Konzentration von 0,2 Gew% wird eine höhere Intensität erzielt.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 13 ist ein optoelektronisches Bauelement 1 mit einer Vielzahl an Konversionselementen 3 gezeigt. Das wellenlängenkonvertierende Material 4 ist hierbei der zweite Rylen-Farbstoff 42.
In der Figur sind vier Emissionsspektren dargestellt. Das optoelektronische Bauelement 1 des ersten Spektrums Kl weist sechs Konversionselemente 3 auf, wobei die Konzentration von wellenlängenkonvertierendem Material 4 in jedem Konversionselement 3 bei 0,2 Gew% liegt. Das optoelektronische Bauelement 1 des zweiten Spektrums K2 weist drei Konversionselemente 3 auf und die Konzentration von wellenlängenkonvertierenden Materialien 4 in den einzelnen Konversionselementen 3 beträgt 0,2 Gew%. In dem dritten
Spektrum K3 ist ebenso die Emission eines optoelektronischen Bauelements 1 mit drei Konversionselementen 3 mit jeweils einer Konzentration von 0,5 Gew% von wellenlängenkonvertierenden Materialien 4 gezeigt. Das vierte Spektrum K4 wird mit einem optoelektronischen Bauelement 1 mit zwei Konversionselementen 3 mit jeweils einer Konzentration von 0,5 Gew% an wellenlängenkonvertierendem Material 4 erhalten.
In der Figur 14 ist das Transmissionsspektrum eines dichroitischen Spiegels 8 gezeigt. Hierbei ist die Transmission T gegen die Wellenlänge X aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass bei einer Wellenlänge in einem Bereich von 600 nm bis 700 nm die Transmission T gering ist. Das heißt, in diesem Bereich wird die elektromagnetische Primärstrahlung nicht durch den dichroitischen Spiegel 8 transmittiert, sondern reflektiert. Die Primärstrahlung wird so lange an dem dichroitischen Spiegel 8 reflektiert bis die Primärstrahlung in Sekundärstrahlung konvertiert wird und einen Wellenlängenbereich von größer 700 nm aufweist. Das führt dazu, dass nur eine geringe Konzentration an wellenlängenkonvertierenden Materialien 4 in dem Konversionselement 3 notwendig ist.
In der Figur 15 ist das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Zunächst wird ein Substrat 9 bereitgestellt. Das Substrat 9 ist insbesondere ein transparentes Substrat 9. Das Konversionselement 3 wird auf dem Substrat 9 aufgebracht. Gegebenenfalls erfolgt das Aufbringen des Konversionselements 3 auf das Substrat 9 mehrmals. Das Konversionselement 3 und das Substrat 9 können vereinzelt werden. Anschließend wird das Konversionselement 3
so auf den Halbleiterchip 2 angeordnet, so dass sich das Konversionselement 3 zwischen dem Substrat 9 und dem Halbleiterchip 2 befindet. Optional kann das Substrat 9 abgelöst werden.
Die 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 optoelektronisches Bauelement
2 Halbleiterchip
3 Konversionselement
31 erstes Konversionselement
32 zweites Konversionselement
4 wellenlängenkonvertierendes Material
41 erster Rylen-Farbstoff
42 zweiter Rylen-Farbstoff
43 dritter Rylen-Farbstoff
5 Einfassung
6 Gehäuse
7 Träger
8 dichroitischer Spiegel
9 Substrat
10 Auskoppelstruktur
12 Haftvermittlerschicht nl normalisierte Intensität
I Intensität
T Transmission
El erstes Emissionsmaximum
E2 zweites Emissionsmaximum
E3 drittes Emissionsmaximum
E4 viertes Emissionsmaximum
Kl erstes Spektrum
K2 zweites Spektrum
K3 drittes Spektrum
K4 viertes Spektrum
Claims
1. Optoelektronisches Bauelement (1) mit
- einem Halbleiterchip (2), der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und
- zumindest einem Konversionselement (3), wobei
- das Konversionselement (3) zur Emission von elektromagnetischer Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs eingerichtet ist, und
- die elektromagnetische Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich liegt, und wobei
- das Konversionselement (3) zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Material (4) und ein Matrixmaterial (5) umfasst, und
- das wellenlängenkonvertierende Material (4) ein Rylen- Farbstoff ist und aus einer der folgenden Strukturformeln ausgewählt ist:
wobei R jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe der H- Atome, Halogenid-Atome, D-Atome, substituierte und unsubstituierte Alkylgruppen, NO2-Gruppen, substituierte und unsubstituierte NH2-Gruppen, substituierte und
40 unsubstituierte Alkenylgruppen, substituierte und unsubstituierte Aromaten, substituierte und unsubstituierte Heteroaromaten, Nitril-Gruppen, CO2R-Gruppen und CONR2- Gruppen ausgewählt ist, wobei R2 ausgewählt ist aus H und Alkylgruppen und wobei Ri aus den dargestellten Strukturformeln und aus der Gruppe der H-Atome, Halogenid-Atome und D-Atome ausgewählt ist.
2. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest ein H-Atom des Rylen-Farbstoffs mit einem Atom mit einer höheren Masse als Wasserstoff ausgetauscht ist.
3. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest eines oder die Gesamtheit der wellenlängenkonvertierenden Materialien (4) in dem Konversionselement (3) eine Konzentration in einem Bereich zwischen einschließlich 0,01 Gew% und einschließlich 1,0 Gew% aufweist .
4. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Matrixmaterial ausgewählt ist aus Epoxiden, Silikonen, Fluorosilikonen, Polymethylmethacrylaten, Polysiloxanen, Polycarbonaten, Melting-Gelen, Glas oder Kombinationen daraus.
5. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
41 bei dem auf der dem Halbleiterchip (2) abgewandten Seite des Konversionselements (3) ein dichroitischer Spiegel (8) angeordnet ist.
6. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (2) und das Konversionselement (3) von einer Verkapselung (5) überformt sind.
7. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 6, wobei die Verkapselung ein Metalloxid oder ein Metallnitrid aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Primärstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 550 nm und einschließlich 1000 nm liegt.
9. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest 50% der emittierten Sekundärstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 700 nm und einschließlich 1000 nm liegt.
10. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in dem Matrixmaterial ein anorganischer Leuchtstoff eingebettet ist.
11. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem in dem Matrixmaterial ein Quantenpunkt und/oder ein Nanopartikel eingebettet ist.
12. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Oberfläche des Konversionselements (3) eine Auskoppelstruktur aufweist.
13. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest zwei Konversionselemente (3) dem Halbleiterchip (2) nachgeordnet sind, wobei ein erstes Konversionselement (31) der zumindest zwei Konversionselemente (3), das näher an dem Halbleiterchip (2) angeordnet ist, einen ersten Rylen-Farbstoff (41) aufweist, dessen Sekundärstrahlung im langwelligeren Wellenlängenbereich ist, als die Sekundärstrahlung eines zweiten Rylen-Farbstoffs (42) in einem zweiten Konversionselement (32) der zumindest zwei Konversionselemente (3), welches weiter von dem Halbleiterchip (2) entfernt ist.
14. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rylenfarbstoff ausgewählt ist aus:
15. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (2) ein mikro LED-Chip ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Halbleiterchips (2), der dazu eingerichtet ist, im Betrieb Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zu emittieren,
- Herstellen eines Konversionselements (3) nach Anspruch 1, das zur Emission von Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs eingerichtet ist, und
- Aufbringen des Konversionselements (3) auf den Halbleiterchip (2), wobei
- die elektromagnetische Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich liegt.
17. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) nach Anspruch 16, wobei das Konversionselement (3) vor dem Aufbringen auf den Halbleiterchip (2) auf einem Substrat (9) aufgebracht wird
- 44 - und das Konversionselement (3) und das Substrat (9) vereinzelt werden.
18. Verwendung eines optoelektronischen Bauelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Spektrometer.
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