-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronisches Bauelements mit einer Verkapselung.
-
Halbleiterbauelemente weisen herkömmlich eine Verkapselung auf, die beispielsweise den Halbleiterchip und gegebenenfalls ein Konverterblättchen des Bauelements schützt und/oder die Abstrahlcharakteristik des Bauelements beeinflusst. Dabei treten an den Grenzflächen vom Halbleiterchip beziehungsweise dem Konverterblättchen zur Verkapselung und von der Verkapselung zu Luft Fresnel-Reflexionen auf.
-
Es ist wünschenswert, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das effizient ist. Weiterhin ist es wünschenswert, ein Verfahren zum Herstellen eines effizienten optoelektronischen Halbleiterbauelements anzugeben.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein optoelektronisches Halbleiterbauelement einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip. Das Halbleiterbauelement weist eine Verkapselung um den Halbleiterchip auf. Die Verkapselung umfasst ein klares Vergussmaterial und weist einen Gradienten im Brechungsindex auf. Die Verkapselung umfasst beispielsweise eine Schicht, die aus dem klaren Vergussmaterial gebildet ist und den Gradienten im Brechungsindex aufweis. Die Verkapselung ist insbesondere aus dem klaren Vergussmaterial gebildet und weist den Gradienten im Brechungsindex auf.
-
Unter einem Gradienten im Vergussmaterial ist insbesondere zu verstehen, dass das Vergussmaterial der Verkapselung zumindest eine Brechungsindexsteigerung bzw. zumindest einen Brechungsindexabfall aufweist. Der Brechungsindex des Vergussmaterials ist demnach nicht homogen über die gesamte Verkapselung ausgebildet, sondern weist innerhalb der Verkapselung zumindest bereichsweise einen Unterschied auf. Dieser Unterschied bzw. diese Unterschiede im Brechungsindex können beispielsweise dadurch ausgebildet sein, dass das Vergussmaterial bereichsweise eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweist, beispielsweise aufgrund eines unterschiedlichen Gehalts eines Elements des Vergussmaterials oder aufgrund eines zusätzlich in das Vergussmaterial eingebrachten weiteren Elements. Weiterhin kann dieser Unterschied bzw. können diese Unterschiede im Brechungsindex dadurch ausgebildet sein, dass eine Mehrzahl von dünnen Schichten mit jeweils leicht zueinander unterschiedlichem Brechungsindex übereinandergeschichtet sind. Im Klarverguss ist also ein Brechungsindexverlauf eingestellt, der von einem hohen Brechungsindex in der Nähe des Konverterplättchens zu einem niedrigen Brechungsindex an der Außenfläche des Klarvergusses abnimmt.
-
Das klare Vergussmaterial umfasst insbesondere ein Silikon. Das Silikon ist ein UV-stabiles, nicht vergilbendes Silikon, das temperatur- und feuchtebeständig ist und insbesondere über einen Mold-Prozess auf den Halbleiterchip aufgebracht werden kann.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen weist durch den Gradienten im Brechungsindex das Vergussmaterial zumindest einen ersten Bereich mit einem ersten Brechungsindex und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Brechungsindex auf. Dabei unterscheiden sich der erste Brechungsindex und der zweite Brechungsindex. Die Verkapselung weist demnach keinen konstanten Brechungsindex des Vergussmaterials auf. Bereichsweise sind Unterschiede im Brechungsindex ausgebildet. Die Unterschiede im Brechungsindex sind gezielt ausgebildet, sodass sich die Fresnel-Reflexion an den Grenzflächen der Verkapselung reduzieren. Insbesondere ist der Gradient an der dem Halbleiterchip abgewandten Grenzfläche der Verkapselung an den Brechungsindex des umgebenden Mediums angepasst, z. B. an den Brechungsindex von Luft, n = 1. Der Brechungsindex ist in dem Bereich der Verkapselung, die dem Halbleiterchip zugewandt ist, an den Brechungsindex des Halbleiterchipmaterials angepasst, beispielsweise an den Brechungsindex von GaN, n ≈ 2,4.
-
Gemäß Ausführungsformen ist zwischen dem Halbleiterchip und der Verkapselung ein Konverterelement angeordnet, das geeignet ist, eine von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung zumindest teilweise in Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Der Gradient der Verkapselung ist gemäß Ausführungsformen in dem Bereich der Verkapselung, der an das Konverterelement angrenzt bzw. diesem zugewandt ist, an den Brechungsindex des Konverterelements angepasst.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist der zweite Bereich in einem Zentrum der Verkapselung ausgebildet, wobei der zweite Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex. Das bedeutet insbesondere, dass mittig oder zentral der Verkapselung diese einen höheren Brechungsindex aufweist als beispielsweise Randbereiche der Verkapselung.
-
Durch den höheren Brechungsindex in der Mitte bzw. im Zentrum der Verkapselung wird die Fresnel-Reflexion an dem Übergang zwischen Halbleiterchip bzw. Konverterelement und Vergussmaterial reduziert, da der Unterschied zwischen dem Brechungsindex des Halbleiterchips bzw. des Konverterelements und der Verkapselung reduziert ist. Zudem wird die Fresnel-Reflexion am Übergang von der Verkapselung zu Luft reduziert, da der Unterschied im Grenzbereich der Verkapselung zwischen dem Brechungsindex der Verkapselung und dem Brechungsindex von Luft reduziert ist.
-
Gemäß weiterer Ausführungsformen nimmt der zweite Brechungsindex vom Zentrum aus radialsymmetrisch ab, bis der erste Brechungsindex erreicht ist. Gemäß weiterer Ausführungsformen nimmt der zweite Brechungsindex vom Zentrum aus konzentrisch ab, bis der erste Brechungsindex erreicht ist. Insbesondere weist der Brechungsindex-Gradient einen Verlauf auf, der zur Geometrie des Halbleiterchips passt.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist der zweite Bereich durch ein Einbringen von zumindest einem hochbrechenden Material in das Vergussmaterial erzeugt. Im Zentrum bzw. in der Mitte der Verkapselung ist somit ein hochbrechendes Material eingebracht, dessen Gehalt zu den Rändern der Verkapselung hin abnimmt, sodass der Brechungsindex-Gradient gebildet ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem hochbrechenden Material um Nanopartikel, die insbesondere TiO2, Rutil und/oder ein anderes Material umfassen, das den Brechungsindex des Vergussmaterials erhöht.
-
Gemäß weiterer Ausführungsformen ist der zweite Bereich durch eine vorgegebene Anordnung verschiedenartiger Monomere erzeugt.
-
Das optoelektronische Bauelement ermöglicht die Umwandlung von elektrisch erzeugten Daten oder Energie in Lichtemission oder umgekehrt. Das Halbleiterbauelement weist zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip auf, vorzugsweise einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist bevorzugt eine LED (Licht emittierende Diode). Der Halbleiterchip weist einen Halbleiterschichtenstapel auf, in dem eine aktive Schicht enthalten ist. Die aktive Schicht ist insbesondere geeignet zur Erzeugung einer Strahlung einer ersten Wellenlänge. Hierzu enthält die aktive Schicht vorzugsweise einen PN-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnungen Quantentopfstruktur entfalten hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
-
Der Halbleiterschichtenstapel des Halbleiterchips enthält vorzugsweise ein III-V-Halbleitermaterial. III-V-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten, über den sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich besonders geeignet.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronisches Halbleiterbauelements mit einer Verkapselung folgende Verfahrensschritte:
- A) Bereitstellen eines klaren Vergussmaterials mit einem ersten Brechungsindex und
- B1) Einbringen zumindest eines hochbrechenden Materials in ein Zentrum des klaren Vergussmaterials und/oder
- B2) Veränderung des klaren Vergussmaterials, sodass das geänderte klare Vergussmaterial im Zentrum einen höheren Brechungsindex aufweist als außerhalb des Zentrums.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit einer Verkapselung die folgenden Verfahrensschritte:
- A) Bereitstellen eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips und
- B) Bereitstellen eines klaren Vergussmaterials mit einem ersten Brechungsindex und
- C) Bereitstellen eines klaren Vergussmaterials mit einem zweiten Brechungsindex und
- D) Anordnen des klaren Vergussmaterials mit dem ersten Brechungsindex und des klaren Vergussmaterials mit dem zweiten Brechungsindex auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip, sodass das klare Vergussmaterial mit dem zweiten Brechungsindex zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip und dem klaren Vergussmaterial mit dem ersten Brechungsindex angeordnet ist.
-
Mittels derartigen Herstellungsverfahren kann eine Verkapselung realisiert werden, die bereichsweise, insbesondere zentral, einen höheren Brechungsindex aufweist als benachbarte Bereiche. Dadurch kann die Fresnel-Reflexion reduziert werden. Dies basiert insbesondere darauf, dass die Brechungsindizes der Verkapselung an die jeweils angrenzenden Medien angepasst sind. Gemäß Ausführungsformen wird das hochbrechende Material derart in das Zentrum des klaren Vergussmaterials eingebracht und/oder das klare Vergussmaterial derart verändert, dass vom Zentrum ausgehend ein radialsymmetrischer kontinuierlicher Abfall eines zweiten Brechungsindex zu dem ersten Brechungsindex erzeugt wird.
-
Die in Verbindung mit dem Bauelement angeführten Merkmale und Vorteile finden auch im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren Verwendung und umgekehrt.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit der Figur beschriebenen Beispielen.
-
Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse zueinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
-
Die einzige Figur zeigt einen schematischen Querschnitt eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
-
In 1 ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 10 dargestellt. Das Halbleiterbauelement 10 umfasst einen Halbleiterchip 2, der einen Halbleiterschichtenstapel mit einer darin angeordneten aktiven Schicht umfasst. Der Halbleiterchip 2 ist vorzugsweise eine LED. Die aktive Schicht des Halbleiterchips 2 ist geeignet, Strahlung einer ersten Wellenlänge zu emittieren. Der größte Teil der von dem Halbleiterchip 2 emittierten Strahlung wird dabei über eine Strahlungsaustrittsseite aus dem Halbleiterchip 2 ausgekoppelt.
-
Auf dieser Strahlungsaustrittsseite, die insbesondere von einer Hauptfläche des Halbleiterchips gebildet ist, ist ein Konverterelement 3 angeordnet. Das Konverterelement 3 ist insbesondere ein Konverterblättchen, das direkt auf dem Halbleiterchip 2, insbesondere auf der Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips 2, aufgebracht ist.
-
Das Konverterblättchen 3 umfasst ein Konvertermaterial, das einen Brechungsindex n3 aufweist.
-
Das Konverterblättchen 3 ist derart ausgebildet, dass es zumindest teilweise die von dem Halbleiterchip 2 emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandelt. Hierzu weist das Konverterblättchen 3 Konverterpartikel auf, die vorzugsweise homogen in einem Grundmaterial eingebettet sind.
-
Das Bauelement weist weiterhin eine Verkapselung 1 aus einem klaren Vergussmaterial auf. Die Verkapselung 1 umgibt den Halbleiterchip 2 und das Konverterelement 3. Die Verkapselung 1 ist insbesondere in Kontakt mit einem Substrat 4, das auch den Halbleiterchip 2 trägt.
-
Im Betrieb gelangt die von dem Halbleiterchip 2 emittierte Strahlung durch das Konverterelement 3 und nachfolgend durch die Grenzfläche 5 zwischen Konverterelement 3 und der Verkapselung 1 sowie durch eine zweite Grenzfläche 6 zwischen der Verkapselung 1 und der Umgebung. Die Verkapselung 1 hat einen zu dem Konverterelement 3 bzw. dem Halbleiterchip 2 unterschiedlichen Brechungsindex. Die Verkapselung 1 hat beispielsweise einen zur Umgebung bzw. dem umgebenden Medium, beispielsweise Luft, unterschiedlichen Brechungsindex. Daher können an den Grenzflächen 5 und 6 Fresnel-Reflexionen auftreten, die die Effizienz des Bauelements 10 beeinträchtigen.
-
Um diese Fresnel-Reflexionen zu reduzieren, weist die Verkapselung 1 einen Brechungsindex-Gradienten G des klaren Vergussmaterials auf.
-
Die Verkapselung 1 weist in einem ersten Bereich B1 einen ersten Brechungsindex n1 auf, der kleiner ist als ein Brechungsindex n2 eines zweiten Bereichs B2 der Verkapselung 1. Die Verkapselung 1 weist also in einem Zentrum Z den Brechungsindex n2 auf, der höher ist als der Brechungsindex n1 der restlichen Verkapselung 1.
-
Der Brechungsindex n2 ist abhängig von dem Brechungsindex n3 gewählt. Der Brechungsindex n1 ist in Abhängigkeit des umgebenden Mediums vorgegeben, also insbesondere in Abhängigkeit des Brechungsindex von Luft, n ≈ 1.
-
Dadurch, dass der Brechungsindex n2 möglichst nahe an dem Brechungsindex n3 liegt, treten an der Grenzfläche 5 möglichst wenig Fresnel-Reflexionen auf. Gemäß Ausführungsformen ist der Brechungsindex n2 gleich dem Brechungsindex n3. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist der Brechungsindex n2 gleich dem Brechungsindex des Materials des Halbleiterchips 2
-
Dadurch, dass der Brechungsindex n1 möglichst nahe am Brechungsindex von Luft liegt, treten an der Grenzfläche 6 möglichst wenig Fresnel-Reflexionen auf. Gemäß Ausführungsformen ist der Brechungsindex n1 gleich dem Brechungsindex des umgebenden Mediums. Insbesondere ist der Brechungsindex n1 gleich dem Brechungsindex von Luft. Gemäß Ausführungsbeispielen weist der Brechungsindex n1 einen Wert von ungefähr 1 auf.
-
Gemäß Ausführungsformen ist der Übergang des Brechungsindex n2 zu dem Brechungsindex n1 kontinuierlich ausgebildet. Der Brechungsindex n2 nimmt demnach von der Grenzfläche 5 aus kontinuierlich radialsymmetrisch bzw. konzentrisch ab, bis der Brechungsindex n1 an der Grenzfläche 6 erreicht ist. Der Brechungsindex der Verkapselung 1 nimmt also von der Mitte zu den Rändern kontinuierlich und radialsymmetrisch ab, sodass im Vergussmaterial der Brechungsindex-Gradient G ausgebildet ist.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist der Übergang von dem Brechungsindex n2 zu dem Brechungsindex n1 diskret ausgebildet. Der Übergang zwischen dem Brechungsindex n2 zu dem Brechungsindex n1 erfolgt schrittweise, insbesondere in möglichst kleinen Schritten.
-
Beispielsweise ist die Verkapselung 1 aus einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet, die jeweils einen zu den angrenzenden Schichten verschiedenen Brechungsindex aufweisen. Die Schicht, die direkt an den Halbleiterchip 2 und das Konverterelement 3 angrenzt, weist den größten Brechungsindex n2 auf. Die nachfolgenden Schichten weisen jeweils einen kleineren Brechungsindex als die im Vergleich näher zu dem Halbleiterchip 2 angeordnete Schicht auf, bis zu der letzten Schicht, die direkt an die Grenzfläche 6 angrenzt und den Brechungsindex n1 aufweist. Der Brechungsindex der Verkapselung 1 nimmt also von der Mitte zu den Rändern der Verkapselung 1 diskret und radialsymmetrisch ab, sodass in der Verkapselung der Brechungsindex-Gradient G ausgebildet ist.
-
Der Brechungsindexgradient G ist gemäß Ausführungsformen durch ein Einbringen von hochbrechendem Material in das Vergussmaterial ausgebildet. Beispielsweise werden Nanopartikel, die TiO2 und/oder Rutil und/oder andere Materialien umfassen, in ein Silikon eingebracht. Im Zentrum wird zum Ausbilden des Gradienten G mehr hochbrechendes Material angeordnet als am Randbereich der Verkapselung 1.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen wird der Brechungsindex-Gradient durch eine Sedimentierung der Monomere eines Silikons in flüssigem Zustand eingebracht. Die vergleichsweise schweren Monomere folgen dem Schwerefeld und lagern sich eher im Zentrum ab, während die leichteren Monomere aufschwimmen. Bei einer Polymerisation des Silikons zu der Verkapselung 1 ergibt sich im Bereich B2 ein Material mit anderer Zusammensetzung als im Bereich B1.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen wird der Brechungsindex-Gradient G durch ein Ausgasen oder eine sich verändernde Vernetzung des Materials der Verkapselung 1 erreicht.
-
Unter der Mitte bzw. unter dem Zentrum der Verkapselung 1 ist insbesondere der Bereich der Verkapselung zu verstehen, der in Aufsicht auf die Verkapselung die Mitte bzw. das Zentrum bildet. Die Verkapselung 1 ist dabei in Aufsicht auf die Verkapselung vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Mitte bzw. das Zentrum Z ausgebildet.
-
Die Verkapselung 1 umschließt das Konverterelement 3 und den Halbleiterchip 2 vorzugsweise vollständig. Das Vergussmaterial verändert insbesondere nicht das Spektrum der von dem Halbleiterchip 2 und dem Konverterelement 3 austretenden Strahlung. Die Verkapselung 1 kann als optische Linse ausgebildet sein.
-
Durch die Verringerung der Fresnel-Reflexionen an den Grenzflächen an den Oberflächen 5 und 6 ist die Effizienz des Bauelements 10 in Bezug auf Verkapselungen ohne Brechungsindex-Gradient erhöht.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst die Verkapselung 1 mehrere Schichten. Eine erste Schicht der Verkapselung 1 ist aus Klarverguss gebildet und weist den Gradienten G im Brechungsindex auf. Beispielsweise ist die erste Schicht direkt in Kontakt mit dem Halbleiterchip 2. Der Brechungsindex der ersten Schicht verläuft zwischen einem Brechungsindex, der möglichst nahe am Brechungsindex des Materials des Halbleiterchips liegt, und einem Brechungsindex einer zweiten Schicht beziehungsweise eines Materials der zweiten Schicht. Die zweite Schicht ist auf der ersten Schicht angeordnet. Die zweite Schicht umfasst gemäß Ausführungsformen ein Vergussmaterial mit einem Leuchtstoff, beispielsweise YAG. Auf der zweiten Schicht ist gemäß Ausführungsformen eine dritte Schicht angeordnet. Die dritte Schicht der Verkapselung 1 ist aus Klarverguss gebildet und weist einen Gradienten G im Brechungsindex auf. Der Brechungsindex der dritten Schicht verläuft zwischen dem Brechungsindex der zweiten Schicht beziehungsweise des Materials der zweiten Schicht und einer vierten Schicht. Gemäß weiteren Ausführungsformen verläuft der Brechungsindex der dritten Schicht zwischen dem Brechungsindex der zweiten Schicht beziehungsweise des Materials der zweiten Schicht und Luft, wenn keine weitere Schicht auf der dritten Schicht angeordnet ist. Gemäß Ausführungsformen umfasst die vierte Schicht ein weiteres Vergussmaterial mit einem weiteren Leuchtstoff. Auf der vierten Schicht ist gemäß Ausführungsformen eine fünfte Schicht angeordnet. Die fünfte Schicht der Verkapselung 1 ist aus Klarverguss gebildet und weist einen Gradienten G im Brechungsindex auf. Der Brechungsindex der fünfte Schicht verläuft zwischen dem Brechungsindex der vierten Schicht beziehungsweise des Materials der vierten Schicht und Luft, wenn keine weitere Schicht auf der fünften Schicht angeordnet ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst die Verkapselung mehr als fünf Schichten oder weniger als fünf Schichten. Mindestens eine der Schichten ist aus Klarverguss gebildet und weist einen Brechungsindexverlauf zwischen den Brechungsindizes der beiden angrenzenden Schichten auf.
