DE102010046790A1

DE102010046790A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010046790A1
Application number: DE102010046790A
Authority: DE
Inventors: Dr. Cui Hailing
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Es ist ein optoelektronisches Bauelement (10) vorgesehen, das zumindest zwei Halbleiterchips (1a, 1b) und ein Konversionselement (2) aufweist. Die Halbleiterchips (1a, 1b) weisen jeweils eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und eine Strahlungsaustrittsseite auf. Das Konversionselement (2) weist einen ersten Konversionsstoff (2a) und einen zweiten Konversionsstoff (2b) auf, die geeignet sind, die von den Halbleiterchips (1a, 1b) emittierte Strahlung in Strahlung anderer Wellenlänge zu konvertieren. Das Konversionselement (2) ist den Strahlungsaustrittsseiten der Halbleiterchips (1a, 1b) nachgeordnet. Weiter ist ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauelements angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit zwei Halbleiterchips und einem Konversionselement gemäß Patentanspruch 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Patentanspruch 14.
Herkömmliche optoelektronische Bauelemente, die geeignet sind, ein nahezu kontinuierliches Emissionsspektrum zu erzeugen, weisen unter anderem einen Halbleiterchip auf, der Strahlung im blauen Wellenlängenbereich emittiert, und zwei Konversionsstoffe, die einer Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips nachgeordnet sind. Das resultierende Emissionsspektrum derartiger Halbleiterbauelemente kann jedoch nachteilig ein Emissionsgefälle im Wellenlängenbereich zwischen blauer und grüner Strahlung oder eine geringe Emission im blauen Spektralbereich aufweisen.
Eine alternative herkömmliche Methode zur Erzeugung eines nahezu kontinuierlichen Emissionsspektrums besteht darin, einen Halbleiterchip der blaue Strahlung emittiert, mit mehr als zwei unterschiedlichen Konversionsstoffen zu kombinieren, beispielsweise Konversionsstoffe, die geeignet sind, grüne, gelbe und rote Konversion zu betreiben. In diesem Fall können sich jedoch nachteilig Schwierigkeiten bei der Einstellung des gewünschten Farborts der von dem Bauelement emittierten Strahlung ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung derartiger Nachteile ein optoelektronisches Halbleiterbauelement zu schaffen, das ein verbessertes kontinuierliches Emissionsspektrum bei gleichzeitiger vereinfachter Einstellung des gewünschten Farborts aufweist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Herstellungsverfahren eines derartigen Halbleiterbauelements anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Bauelements und dessen Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement vorgesehen, das zumindest zwei Halbleiterchips und ein Konversionselement aufweist. Die Halbleiterchips weisen jeweils eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und eine Strahlungsaustrittsseite auf. Das Konversionselement weist einen ersten Konversionsstoff und einen zweiten Konversionsstoff auf, die geeignet sind, zumindest teilweise die von den Halbleiterchips emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge zu konvertieren. Das Konversionselement ist den Strahlungsaustrittsseiten der Halbleiterchips nachgeordnet.
Ein optoelektronisches Bauelement ist insbesondere ein Bauelement, das die Umwandlung von elektronisch erzeugten Energien in Strahlungsemission ermöglicht, oder umgekehrt.
Beispielsweise ist das optoelektronische Bauelement ein strahlungsemittierendes Bauelement.
In dem Bauelement sind somit zwei Halbleiterchips kombiniert, wobei die Halbleiterchips mit zwei Konversionsstoffen umformt sind, wodurch mit Vorteil ein kontinuierliches Emissionsspektrum der von dem Bauelement emittierten Strahlung ermöglicht wird. Dazu finden lediglich zwei verschiedene Konversionsstoffe in dem Bauelement Verwendung, womit sich die Einstellung des gewünschten Farborts der von dem Bauelement emittierten Strahlung im Vergleich zu herkömmlicherweise verwendeten drei Konversionsstoffen vorteilhaft vereinfacht.
Unter dem Farbort werden insbesondere die Zahlenwerte verstanden, die die Farbe der emittierten Strahlung des Bauelements im CIE-Farbraum beschreiben.
Das Bauelement mit den zwei Halbleiterchips und lediglich zwei Konversionsstoffen weist sich somit unter anderem durch eine vereinfachte Einstellung des gewünschten Farborts sowie einem verbesserten kontinuierlichen Emissionsspektrum aus. Unter einem kontinuierlichen Emissionsspektrum ist insbesondere nicht zu verstehen, dass das Emissionsspektrum des Bauelements über den gesamten Emissionswellenlängenbereich eine konstante Strahlungsintensität aufweist. Insbesondere können wellenlängenabhängig unterschiedliche Strahlungsintensitäten auftreten. Die Unterschiede der Strahlungsintensitäten sind jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen gering.
Das Bauelement emittiert Strahlung im weißen Farbortbereich.
Vorteilhafterweise weicht die Strahlungsintensität benachbarter Wellenlängenbereiche um nicht mehr als 20%, bevorzugt um nicht mehr als 10% ab. Benachbarte Wellenlängenbereiche sind dabei direkt aneinander angrenzende Wellenlängenbereiche, wobei sich dabei die Wellenlängenbereiche beispielsweise über einen Bereich von 20 nm erstrecken.
Die Halbleiterchips weisen jeweils eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf. Die aktive Schicht der Halbleiterchips weist jeweils einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung auf. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Die Halbleiterchips weisen jeweils eine Strahlungsaustrittsseite auf, aus die die von den Halbleiterchips emittierte Strahlung zum größten Teil austritt. Beispielsweise sind die Halbleiterchips oberflächenemittierende Chips. Bevorzugt umgibt das Konversionselement zumindest die Strahlungsaustrittsseiten der Halbleiterchips direkt und vollständig. Die von den Halbleiterchips emittierte Strahlung tritt somit jeweils zum Auskoppeln aus dem Bauelement durch das Konversionselement.
Die Halbleiterchips, insbesondere die aktive Schicht der Halbleiterchips, enthalten vorzugsweise mindestens ein III/V Halbleitermaterial, etwa ein Material aus den Materialsystemen In_xGa_yAl_1-x-yP, In_xGa_yAl_1-x-yN oder In_xGa_yAl_1-x-yAs, jeweils mit 0 ≤ x, y ≤ 1 und x + y ≤ 1. III/V-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (In_xGa_yAl_1-x-yN), über den sichtbaren (In_xGa_yAl_1-x-yN, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder In_xGa_yAl_1-x-yP, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (In_xGa_yAl_1-x-yAs) Spektralbereich besonders geeignet.
Die Halbleiterchips sind vorzugsweise Dünnfilm-Chips. Als Dünnfilm-Chip würde im Rahmen der Anmeldung ein Chip angesehen, während deren Herstellung das Aufwachssubstrat, auf den eine Halbleiterschichtenfolge des jeweiligen Chips beispielsweise epitaktisch aufgewachsen wurde, abgelöst worden ist.
Das Bauelement ist vorzugsweise eine LED (Licht emittierende Diode). Die LED weist insbesondere die zwei Halbleiterchips auf.
Bevorzugt sind der erste und zweite Konversionsstoff in dem Konversionselement eingebettet und gleichmäßig verteilt.
Die Halbleiterchips emittieren jeweils eine Primärstrahlung mit einer ersten Wellenlänge. Die Konversionsstoffe absorbieren zumindest teilweise Strahlung der ersten Wellenlänge und emittieren jeweils eine Sekundärstrahlung einer zweiten Wellenlänge. Dadurch emittiert das Bauelement Mischstrahlung, die sowohl die Primärstrahlung der Halbleiterchips als auch die Sekundärstrahlung der Konversionsstoffe enthält. Durch eine gezielte Wahl der Konversionsstoffe kann eine Korrektur des Farborts der von den Halbleiterchips emittierten Strahlung erfolgen, wodurch sich vorteilhafterweise ein gewünschter Farbort der von dem Bauelement emittierten Strahlung ergibt. Beispielsweise emittiert das Bauelement weiße Strahlung.
In einer Weiterbildung emittieren die Halbleiterchips Strahlung einer Wellenlänge gleicher Farbe. Unter gleicher Farbe ist insbesondere zu verstehen, dass die Halbleiterchips Strahlung emittieren, die basierend auf der Augenempfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges als farblich gleich wahrgenommen wird. Dabei ist jedoch nicht notwendig, dass die Emissionsmaxima und/oder Farborte der von den Halbleiterchips emittierten Strahlungen identisch sind. Beispielsweise können sich die Emissionsmaxima und/oder Farborte der von den Halbleiterchips emittierten Strahlungen so weit unterscheiden, dass das menschliche Auge diesen Strahlungen einen gleichen Farbeindruck zuordnet. Die Unterschiede im Emissionsmaximum und/oder Farbort der von den Halbleiterchips emittierten Strahlungen dürfen dabei eine gewisse Größe jedoch nicht überschreiten, um den gleichen Farbeindruck sicher zu stellen.
In einer Weiterbildung emittieren die Halbleiterchips jeweils blaue Strahlung. Insbesondere emittieren die Halbleiterchips jeweils Strahlung im blauen Wellenlängenbereich. Der Farbort der von den Halbleiterchips emittierten Strahlung liegt somit im blauen Bereich, wobei der Farbort der von den Halbleiterchips emittierten Strahlung nicht zwangsläufig identisch sein muss.
In einer Weiterbildung unterscheiden sich die Emissionsmaxima der Emissionssprektren der Halbleiterchips voneinander. Die von den Halbleiterchips emittierten Strahlungen liegen somit im Wellenlängenbereich gleicher Farbe, wobei sie jedoch unterschiedliche Maxima und somit einen unterschiedlichen Farbort aufweisen. Beispielsweise weist einer der Halbleiterchips ein Emissionsmaximum im langwelligen Wellenlängenbereich blauer Farbe auf, wobei das Emissionsmaximum des zweiten Halbleiterchips im kurzwelligen Wellenlängenbereich blauer Farbe liegt.
In einer Weiterbildung ist der erste Konversionsstoff geeignet, Strahlung blauer Wellenlänge in Strahlung grüner Wellenlänge zu konvertieren, und der zweite Konversionsstoff geeignet, Strahlung blauer Wellenlänge in Strahlung roter Wellenlänge zu konvertieren.
Der erste Konversionsstoff konvertiert somit einen Teil der von den Halbleiterchips emittierten blauen Strahlung in grüne Strahlung. Der zweite Konversionsstoff konvertiert zumindest einen Teil der von den Halbleiterchips emittierten blauen Strahlung in rote Strahlung. Somit emittiert das Bauelement Mischstrahlung, die sowohl die blaue Strahlung der Halbleiterchips als auch die grüne Strahlung des ersten Konversionsstoffs und die rote Strahlung des zweiten Konversionsstoffs enthält. Damit kann mit Vorteil ein kontinuierliches Emissionsspektrum der von dem Bauelement emittierten Strahlung erzeugt werden. Zudem ist aufgrund der lediglich zwei verwendeten Konversionsstoffe eine gezielte Einstellung des gewünschten Farborts möglich.
In einer Weiterbildung ist der erste Konversionsstoff ein grüner Granat, beispielsweise (Lu_1-x-yy_yCe_x)₃(Al_1-zGa_z)₅O₁₂ mit 0,005 ≤ x ≤ 0,05, 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ z < 0,5. In einer Weiterbildung ist der zweite Konversionsstoff ein rotes Nitrid, beispielsweise (Sr_xBa_1-x)_2-yEu_ySi₅N₈ mit 0 < x < 1 und 0 < y < 0,3.
In einer Weiterbildung emittieren die Halbleiterchips blaue Strahlung unterschiedlicher Emissionsmaxima, wobei der erste Konversionsstoff zumindest teilweise diese Strahlung in grüne Strahlung und der zweite Konversionsstoff zumindest teilweise diese Strahlung in rote Strahlung konvertieren.
In einer Weiterbildung weist das Bauelement weiter ein Gehäuse auf, das eine Kavität aufweist, wobei die Halbleiterchips in der Kavität angeordnet sind, und die Kavität mit dem Konversionselement vergossen ist.
Das Bauelement weist demnach einen Volumenverguss auf, der die Halbleiterchips direkt und vollständig umgibt. Die elektrische Kontaktierung der Halbleiterchips erfolgt dabei in der Kavität des Gehäuses mittels elektrisch leitfähigen Leiterbahnen. Beispielsweise sind die Halbleiterchips mittels eines elektrisch leitfähigen Leitklebers oder eines elektrisch leitenden Lotes in der Kavität des Gehäuses befestigt und so mit Leiterbahnen des Gehäuses elektrisch leitend verbunden. Zudem können zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterchips Bonddrähte Anwendung finden.
In einer Weiterbildung ist das Gehäuse ein Keramikgehäuse, das vorgefertigt ist. Das Gehäuse wird somit vorgefertigt, wobei anschließend die Halbleiterchips in der Kavität angeordnet werden und die Kavität mit dem Konversionselement vergossen wird. Vorzugsweise wird die Kavität mit dem Konversionselement derart vergossen, dass ein abgeschlossenes Bauelement entsteht, wobei insbesondere eine Oberseite des Gehäuses und eine Oberseite des Konversionselements eine ebene Hauptfläche ausbilden.
In einer Weiterbildung sind die Halbleiterchips übereinander angeordnet. Insbesondere bilden die Halbleiterchips einen Schichtenstapel oder einen sogenannten Stack aus. Die Halbleiterchips sind in diesem Fall direkt aufeinander befestigt und elektrisch miteinander kontaktiert. Dabei sind die Halbleiterchips bevorzugt so angeordnet, dass die von dem unteren Halbleiterchip emittierte Strahlung nicht von der aktiven Schicht des über dem unteren Halbleiterchip angeordneten Halbleiterchips absorbiert wird. Der untere Halbleiterchip emittiert damit bevorzugt langwelligere Strahlung als der obere Halbleiterchip. Die Halbleiterchips weisen in diesem Fall eine gemeinsame Strahlungsaustrittsseite auf, aus die die von den Halbleiterchips emittierte Strahlung zum größten Teil ausgekoppelt wird und anschließend durch das Konversionselement tritt.
Alternativ sind die Halbleiterchips lateral nebeneinander angeordnet. In diesem Fall kann die elektrische Kontaktierung der Halbleiterchips getrennt voneinander erfolgen. Zudem weist jeder Halbleiterchip eine eigene Strahlungsaustrittsseite zur Auskopplung der von den Halbleiterchips erzeugten Strahlung auf.
In einer Weiterbildung ist der Farbwiedergabeindex R_A des Bauelements größer als 85.
Farbwiedergabeindex ist dem Fachmann auch bekannt unter dem Begriff colour rendering index (CRI), wobei dieser Wert eine fotometrische Größe ist, mit der sich die Qualität der Farbwiedergabe von Lichtquellen gleicher korrelierter Farbtemperatur beschreiben lässt. Der Farbwiedergabeindex ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
In einer Weiterbildung weist das Bauelement ein kontinuierliches Emissionsspektrum auf. Das Bauelement emittiert insbesondere Strahlung im weißen Wellenlängenbereich.
In einem Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements mit zumindest zwei Halbleiterchips, einem Konversionselement und einem Gehäuse finden folgende Verfahrensschritte Anwendung:

– Herstellen eines Gehäuses,
– Anordnen der zwei Halbleiterchips in oder an dem Gehäuse, und
– Vergießen der Halbleiterchips mit dem Konversionselement, das einen ersten Konversionsstoff und einen zweiten Konversionsstoff aufweist, die geeignet sind, zumindest teilweise die von den Halbleiterchips emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge zu konvertieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften Weiterbildungen des Bauelements und umgekehrt.
Das Gehäuse ist vorzugsweise ein vorgefertigtes Gehäuse, beispielsweise ein Keramikgehäuse, das eine Kavität aufweist, in der die Halbleiterchips nebeneinander oder übereinander angeordnet und elektrisch kontaktiert werden, wobei anschließend die Kavität mit dem Konversionselement vergossen wird. Das Bauelement weist in diesem Fall einen Volumenverguss auf.
Das Konversionselement weist zwei Konversionsstoffe auf, die geeignet sind, zumindest teilweise die von den Halbleiterchips emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge zu konvertieren, sodass das Bauelement Mischstrahlung emittiert.
In einer Weiterbildung wird das Vergießen der Kavität mit dem Konversionselement mittels eines Dispensionsprozesses oder eines Jetprozesses durchgeführt.
Weitere Merkmale, Vorteile, Weiterbildungen und Zweckmäßigkeiten des Bauelements und dessen Verfahren ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1A, 1B, 2 jeweils einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements,
3, 4 jeweils ein genormtes Emissionsdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements, und
5A, 5B jeweils ein genormtes Emissionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Bauelements.
Gleich oder gleich wirkende Bestandteile sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In den 5A und 5B ist jeweils ein genormtes Emissionsdiagramm eines herkömmlichen optoelektronischen Bauelements dargestellt, das einen Halbleiterchip aufweist, der blaue Strahlung emittiert, und an dessen Strahlungsaustrittsseite ein Konversionselement mit zwei Konversionsstoffen nachgeordnet ist. Der erste Konversionsstoff ist dabei geeignet, blaue Strahlung in grüne Strahlung zu konvertieren. Der zweite Konversionsstoff ist dabei geeignet, blaue Strahlung in rote Strahlung zu konvertieren.
In dem Diagramm der 5A und 5B ist jeweils das Emissionsspektrum 101 des Bauelements gezeigt, also die von dem Bauelement emittierte Mischstrahlung aus blauer Strahlung des Halbleiterchips, grüner Strahlung des ersten Konversionsstoffs und roter Strahlung des zweiten Konversionsstoffs. Ziel derartiger Bauelemente ist es, ein kontinuierliches Emissionsspektrum zu erzeugen.
Das in der Anwendung zu erzielende, gewünschte Emissionsspektrum ist in dem Diagramm jeweils als Spektrum 100 dargestellt.
In dem Diagramm ist insbesondere die Strahlungsintensität (y) gegen die Wellenlänge (x) in nm aufgetragen, wobei die Spektren auf eins normiert sind. Das gewünschte Emissionsspektrum 100 weist eine Strahlungsemission im Bereich von zirka 380 nm bis 680 nm auf. Insbesondere zeigt das gewünschte Spektrum 100 ein nahezu kontinuierliches Spektrum. Als nahezu kontinuierliches Spektrum ist insbesondere ein Spektrum zu verstehen, das über den gesamten Wellenlängenbereich von 380 nm bis 680 nm eine spürbare Strahlungsintensität aufweist, die insbesondere in diesem Wellenlängenbereich nicht unter 40% abfällt.
In 5A ist ein Emissionssprektrum 101 eines herkömmlichen Bauelements dargestellt. Das Emissionsspektrum 101 weist insbesondere eine Emission im Wellenlängenbereich von zirka 400 nm bis zirka 750 nm auf. Im Vergleich zu dem gewünschten Emissionsspektrum 100 weist das Emissionsspektrum 101 jedoch einen Emissionsabfall zwischen blauer und grüner Strahlung, also im Wellenlängenbereich um zirka 470 nm auf. Insbesondere wird durch den Intensitätsabfall bei zirka 470 nm kein kontinuierliches Emissionsspektrum erzeugt. Zudem weist das Emissionsspektrum 101 ein Emissionsmaximum im blauen Wellenlängenbereich bei zirka 430 nm auf. Gerade im blauen Wellenlängenbereich weicht das Emissionsspektrum 101 stark von dem gewünschten Emissionsspektrum 100 ab. Die Abweichungen der Spektren 100, 101 zueinander folgen unter anderem aus der Verwendung lediglich eines Halbleiterchips, der blaue Strahlung emittiert und der Kombination zweier Konversionsstoffe, die diese emittierte Strahlung in Strahlung anderer Wellenlänge umwandeln.
In 5B ist ein weiteres Emissionsspektrum 101 eines weiteren Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Bauelements gezeigt. Auch in diesem Fall weicht das Emissionsspektrum 101 des Bauelements von dem gewünschten Emissionsspektrum 100 deutlich ab. Das Emissionsspektrum 101 weist zwar im Vergleich zu dem Emissionsspektrum 101 der 5A einen geringeren Intensitätsabfall im blauen bis grünen Wellenlängenbereich auf, jedoch erzielt das Emissionsspektrum 101 der 5A gerade im blauen Wellenlängenbereich zwischen 380 nm bis 440 nm nicht die gewünschte Intensität.
Der Farbwiedergabeindex R_A der Bauelemente der Ausführungsbeispiele der 5A und 5B ist jeweils etwa 81. Der gewünschte R_A-Wert liegt jeweils bei etwa 91, sodass auch hier eine deutliche Abweichung auftritt.
Die herkömmlichen Bauelemente mit einem Halbleiterchip und zwei Konversionsstoffen sind somit nicht geeignet, ein zufriedenstellendes kontinuierliches Emissionsspektrum zu erzeugen, da gerade im blauen und blauen bis grünen Wellenlängenbereich nicht die gewünschten Intensitäten erzielt werden können. Das erfindungsgemäße Bauelement tritt diesen Nachteilen entgegen, was im Folgenden in Verbindung mit den 1A, 1B, 2, 3 und 4 gezeigt ist.
In 1A ist ein erfindungsgemäßes Bauelement 10 im Querschnitt gezeigt, wobei das Bauelement 10 einen ersten Halbleiterchip 1a und einen zweiten Halbleiterchip 1b aufweist. Die Halbleiterchips 1A, 1b sind in einer Kavität 4 eines Gehäuses 3a angeordnet. Insbesondere sind die Halbleiterchips 1a, 1b auf einer Grundfläche der Kavität 4 des Gehäuses 3a befestigt und dort elektrisch kontaktiert. Die Halbleiterchips 1a, 1b sind lateral nebeneinander angeordnet. Derartige Anordnungen und elektrische Kontaktierungen im Gehäuse sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erörtert.
Das Bauelement 10 ist vorzugsweise eine LED, in der die zwei Chips 1a, 1b integriert sind.
Die Halbleiterchips 1a, 1b weisen jeweils eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf. Beispielsweise sind die Halbleiterchips 1a, 1b jeweils ein Dünnfilm-Chip. Die Halbleiterchips 1a, 1b weisen jeweils eine Strahlungsaustrittsseite auf, aus die die von den Halbleiterchips 1a, 1b emittierte Strahlung zum größten Teil austritt.
Die Halbleiterchips 1a, 1b sind jeweils geeignet, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren. Die Halbleiterchips 1a, 1b emittieren somit Strahlung einer Wellenlänge gleicher Farbe. Bevorzugt weicht jedoch der Farbort der von den Halbleiterchips 1a, 1b emittierten Strahlung voneinander ab. Die Emissionsspektren der von den Halbleiterchips emittierten Strahlung weisen insbesondere unterschiedliche Maxima auf. Beispielsweise emittiert der erste Halbleiterchip 1a Strahlung im langwelligen blauen Wellenlängenbereich, während der zweite Halbleiterchip 1b Strahlen im kurzwelligen blauen Wellenlängenbereich emittiert.
Das Gehäuse 3a ist vorzugsweise ein Keramikgehäuse. Insbesondere ist das Gehäuse ein vorgefertigtes Gehäuse.
Die Kavität 4 des Gehäuses 3a ist mit einem Konversionselement 2 vergossen. Insbesondere ist die Kavität 4 mit dem Konversionselement 2 derart vergossen, dass eine Oberseite des Gehäuses 3a und eine Oberseite des Konversionselements 2 eine ebene Hauptfläche ausbilden. Das Konversionselement 2 umgibt insbesondere die Halbleiterchips 1a, 1b direkt und vollständig.
In dem Konversionselement 2 ist ein erster Konversionsstoff 2a und ein zweiter Konversionsstoff 2b eingebettet. Insbesondere sind der erste Konversionsstoff und der zweite Konversionsstoff gleichmäßig in dem Konversionselement verteilt.
Der erste Konversionsstoff 2a ist geeignet, Strahlung blauer Wellenlänge in grüne Strahlung zu konvertieren. Der zweite Konversionsstoff 2b ist geeignet, Strahlung blauer Wellenlänge in rote Strahlung zu konvertieren. Der erste Konversionsstoff 2a konvertiert somit einen Teil der von den Halbleiterchips 1a, 1b emittierten Strahlung in Strahlung grüner Wellenlänge. Der zweite Konversionsstoff 2b konvertiert zumindest einen Teil der von den Halbleiterchips 1a, 1b emittierten Strahlung in Strahlung roter Wellenlänge. Damit emittiert das Bauelement einen Teil der von den Halbleiterchips emittierten Strahlung und konvertierte Strahlung des ersten und des zweiten Konversionselements. Insbesondere emittiert das Bauelement so Mischstrahlung, deren Wellenlänge im weißen Spektralbereich liegt. Zudem kann so ein Bauelement erzielt werden, das ein kontinuierliches Emissionsspektrum aufweist. Intensitätsabfälle, wie sie herkömmlicherweise auftreten können, können so entgegengetreten werden.
Der erste Konversionsstoff ist ein grünes Granat, beispielsweise (Lu_1-x-yY_yCe_x)₃(Al1-zGa_z)₅O₁₂ mit 0,005 ≤ x ≤ 0,05, 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ z < 0,5. Der zweite Konversionsstoff 2b ist ein rotes Nitrid, beispielsweise (Sr_xBa_1-x)_2-yEu_ySi₅N₈ mit 0 < x < 1 und 0 < y < 0,3.
Durch das Anordnen des weiteren Halbleiterchips in dem Bauelement, das die gleiche Farbe emittiert, wie der erste Halbleiterchip, kann ein Bauelement erzielt werden, das ein kontinuierliches Emissionsspektrum aufweist. Insbesondere kann so ein Bauelement erzielt werden, das einen Farbwiedergabeindex R_A größer als 85 aufweist.
Das in 1A dargestellte Bauelement 10 wird beispielsweise mit folgenden Verfahrensschritten hergestellt:

– Herstellen des Gehäuses 3a mit der darin angeordneten Kavität 4,
– Anordnen der zwei Halbleiterchips 1a, 1b in der Kavität 4, und
– Vergießen der Kavität 4 mit dem Konversionselement 2, das den ersten Konversionsstoff 2a und den zweiten Konversionsstoff 2b aufweist. Das Vergießen erfolgt vorzugsweise mittels eines Dispensionsprozesses oder eines Jetprozesses.

Das Ausführungsbeispiel der 1B unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1A dadurch, dass die Halbleiterchips 1a, 1b übereinander angeordnet sind. Insbesondere bilden die Halbleiterchips 1a, 1b einen Chipstapel, insbesondere einen Stack. Der erste Halbleiterchip 1a ist somit zwischen dem zweiten Halbleiterchip 1b und dem Gehäuse 3a angeordnet. Insbesondere ist der zweite Halbleiterchip 1b direkt auf der Strahlungsaustrittsseite des ersten Halbleiterchips 1a angeordnet.
Die Halbleiterchips 1a, 1b sind dabei so angeordnet, dass die von dem ersten Halbleiterchip 1a emittierte Strahlung im Wesentlichen nicht von der aktiven Schicht des zweiten Halbleiterchips 1b absorbiert wird. Vorzugsweise emittiert der erste Halbleiterchip 1a längerwellige Strahlung als der zweite Halbleiterchip 1b. Insbesondere emittiert der erste Halbleiterchip 1a langwellige blaue Strahlung und der zweite Halbleiterchip 1b kurzwellige blaue Strahlung.
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 1B mit dem Ausführungsbeispiel der 1A überein.
Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1A dadurch, dass die Halbleiterchips 1a, 1b nicht in einer Kavität eines Gehäuses angeordnet sind, sondern auf einer Leiterplatte 3b. Die Halbleiterchips 1a, 1b sind auf der Leiterplatte 3b angeordnet und über diese elektrisch kontaktiert. Das Konversionselement 2 mit darin enthaltenem ersten Konversionsstoff 2a und zweitem Konversionsstoff 2b umgibt dabei die Halbleiterchips 1a, 1b direkt und vollständig. Das Konversionselement 2 ist auf der Leiterplatte 3b angeordnet. Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 2 mit dem Ausführungsbeispiel der 1A überein.
In 3 ist ein Emissionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements, wie beispielsweise in den 1A, 1B oder 2 dargestellt ist, gezeigt.
In dem Diagramm ist, wie in den 5A und 5B, die genormte. Intensität (y) gegen die Wellenlänge (x) in nm angegeben. In dem Diagramm ist insbesondere wiederum das gewünschte Emissionsspektrum 100 dargestellt. Das Emissionsspektrum der von dem erfindungsgemäßen Bauelement emittierte Strahlung ist in Spektrum 101 dargestellt.
Im Unterschied zu dem Emissionsspektrum, wie es beispielsweise bei herkömmlichen Bauelementen auftritt und in 5A, 5B dargestellt ist, weist das Emissionsspektrum 101 der 3 einen weitaus geringeren Intensitätsabfall im Wellenlängenbereich bei zirka 450 nm auf. Insbesondere ist gerade im blauen bis grünen Wellenlängenbereich das erzeugte Emissionsspektrum 101 im Vergleich zu den herkömmlichen Emissionsspektren der 5A, 5B an das gewünschte Emissionsspektrum 100 angenähert. Die Abweichungen zwischen dem erzeugten Emissionsspektrum 101 und dem gewünschten Emissionsspektrum 100 sind gerade im blauen bis grünen Wellenlängenbereich deutlich geringer.
Aufgrund des geringen Intensitätsabfalls im blauen bis grünen Wellenlängenbereich kann so vorteilhafterweise ein kontinuierliches Emissionsspektrum erzeugt werden, wobei gleichzeitig eine gezielte Einstellung des gewünschten Farborts aufgrund der lediglich zwei verwendeten Konversionsstoffe ermöglicht wird.
Die von dem Bauelement emittierte Mischstrahlung weist dabei einen Farbwiedergabeindex R_A von 88 auf, sodass der R_A-Wert deutlich dem gewünschten R_A-Wert von 91 im Vergleich zu den herkömmlichen Bauelementen aus 5A, 5B angenähert ist.
In 4 ist ein Emissionsdiagramm gezeigt, das auf einem Bauelement aufweisend drei Halbleiterchips basiert, die jeweils Strahlung im blauen Wellenlängenbereich emittieren. Den Halbleiterchips ist ein Konversionselement mit zwei Konversionsstoffen nachgeordnet.
Im Vergleich zu dem Emissionsspektrum aus 3 findet keine wesentliche verbesserte Anpassung des Emissionsspektrums 101 an das gewünschte Emissionsspektrum 100 statt. Zwar ist das Emissionsspektrum 101 im blauen bis grünen Wellenlängenbereich näher als herkömmlicherweise an das gewünschte Emissionsspektrum 100 angepasst. Jedoch findet keine deutliche Verbesserung der Anpassung im Vergleich zu dem Bauelement mit lediglich zwei Halbleiterchips statt.
Insbesondere weist das Bauelement aus 4 einen Farbwiedergabeindex R_A von 87 auf. Eine Erhöhung des Farbwiedergabeindex durch Hinzufügen eines weiteren Halbleiterchips, der blaue Strahlung emittiert, findet somit nicht statt.
Ein Bauelement mit zwei Halbleiterchips, die blaue Strahlung emittieren, und zwei nachgeordneten Konversionsstoffen, die diese blaue Strahlung in grüne und rote Strahlung konvertieren, kann somit ein nahezu kontinuierliches Emissionsspektrum ermöglicht werden, wobei gleichzeitig ein gezielter Farbort der von dem Bauelement emittierten Strahlung eingestellt werden kann. Ein weiteres Hinzufügen eines weiteren Halbleiterchips, der blaue Strahlung emittiert, verbessert das Emissionsspektrum kaum merklich. Insbesondere findet keine Verbesserung des Farbwiedergabeindex R_A statt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst 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.

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit zumindest zwei Halbleiterchips (1a, 1b) und einem Konversionselement (2), wobei – die Halbleiterchips (1a, 1b) jeweils eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und eine Strahlungsaustrittsseite aufweisen, – das Konversionselement (2) einen ersten Konversionsstoff (2a) und einen zweiten Konversionsstoff (2b) aufweist, die geeignet sind, zumindest teilweise die von den Halbleiterchips (1a, 1b) emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge zu konvertieren, und – das Konversionselement (2) der Strahlungsaustrittsseiten der Halbleiterchips (1a, 1b) nachgeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterchips (1a, 1b) Strahlung einer Wellenlänge gleicher Farbe emittieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei die Halbleiterchips (1a, 1b) blaue Strahlung emittieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich die Emissionsmaxima der Emissionsspektren der Halbleiterchips (1a, 1b) unterscheiden.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konversionsstoff (2a) geeignet ist, Strahlung blauer Wellenlänge in Strahlung grüner Wellenlänge zu konvertieren und der zweite Konversionsstoff (2b) geeignet ist, Strahlung blauer Wellenlänge in Strahlung roter Wellenlänge zu konvertieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, wobei der erste Konversionsstoff (2a) (Lu_1-x-yY_yCe_x)3(Al_1-zGa_z)₅O₁₂ und der zweite Konversionsstoff (2b) (Sr_xBa_1-x)_2-yEu_ySi₅N₈ aufweisen.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Halbleiterchips (1a, 1b) blaue Strahlung emittieren, – die von den Halbleiterchips (1a, 1b) emittierte Strahlung unterschiedliche Emissionsmaxima aufweisen, – der erste Konversionsstoff (2a) die von den Halbleiterchips (1a, 1b) emittierte Strahlung in Strahlung grüner Wellenlänge konvertiert, und – der zweite Konversionsstoff (2b) die von den Halbleiterchips (1a, 1b) emittierte Strahlung in Strahlung roter Wellenlänge emittiert.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gehäuse (3a), das eine Kavität (4) aufweist, wobei die Halbleiterchips (1a, 1b) in der Kavität (4) angeordnet sind, und die Kavität (4) mit dem Konversionselement (2) vergossen ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei das Gehäuse (3a) ein vorgefertigtes Gehäuse ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterchips (1a, 1b) übereinander angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei die Halbleiterchips (1a, 1b) lateral nebeneinander angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Farbwiedergabeindex (R_A) des Bauelements größer als 85 ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement ein kontinuierliches Emissionsspektrum aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (10), das zumindest zwei Halbleiterchips (1a, 1b), ein Konversionselement (2) und ein Gehäuse (3a, 3b) aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: – Herstellen des Gehäuses (3a, 3b), – Anordnen der Halbleiterchips (1a, 1b) in oder an dem Gehäuse (3a, 3b), und – Vergießen der Halbleiterchips (1a, 1b) mit dem Konversionselement (2), das einen ersten Konversionsstoff (2a) und einen zweiten Konversionsstoff (2b) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Vergießen mittels eines Dispensionsprozesses oder eines Jetprozesses erfolgt.