WO2017129446A1 - Konversionselement und strahlungsemittierendes halbleiterbauelement mit einem solchen konversionselement - Google Patents

Konversionselement und strahlungsemittierendes halbleiterbauelement mit einem solchen konversionselement Download PDF

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WO2017129446A1
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conversion element
structural elements
active region
radiation
pump source
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Andreas LÖFFLER
Adam Bauer
Matthias Peter
Michael Binder
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L2933/0083—Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • a conversion element is specified.
  • Generation of green light in this arrangement uses an oxynitride or silicate-based luminescence conversion element.
  • An object to be solved is to specify a conversion element with which colored light can be generated particularly efficiently by optically pumping the conversion element.
  • the conversion element is provided in particular for optical pumping of the conversion element by a pump source. That is, in the conversion element is preferably generated by pumping with a primary radiation, a secondary radiation having a greater wavelength than the pump radiation. For example, the conversion element can be pumped with UV or blue light and longer wavelength light,
  • the conversion element can be provided both to produce mixed radiation from the secondary radiation and the primary radiation as well as mainly
  • the conversion element comprises an active region that is formed with a semiconductor material.
  • the active area includes a variety of barriers and quantum wells.
  • the active area is in the material system
  • the active area comprises a quantum well structure with a plurality of barriers and quantum wells.
  • emitted secondary radiation is generated by the recombination of charge carriers in the quantum wells.
  • Charge carriers are formed by absorption of primary radiation, which is shorter-wave than the secondary radiation,
  • the active region can be obtained, for example, by epitaxial growth, for example in an MOVPE (organometallic)
  • the active region may comprise epitaxially grown layers or consist of epitaxially grown layers.
  • the conversion element comprises a multiplicity of first
  • Structural elements are for example depressions and elevations, which are arranged on the upper side of the conversion element.
  • Structure elements may be formed on the active region or in the active region.
  • the first structural elements preferably have structure sizes which influence one another generated during operation in the conversion element
  • the structure size of the first structural elements is preferably between at least 100 nm and at most 10 ⁇ m, in particular between at least 0.5 ⁇ m and 1.5 ⁇ m.
  • the size of the structure can be, for example, the distance between two elevations, the diameter of a survey, the
  • Diameter of a sink the distance between two sinks, the height of a survey and / or the depth of a sink of a first structural element act.
  • the conversion element comprises a plurality of second
  • Structural elements and / or third structural elements which are arranged on one of the plurality of first structural elements opposite side of the active region.
  • the second and third structural elements may, for example, likewise be depressions and / or elevations.
  • the first and / or second structural elements preferably each have feature sizes which are the
  • the structure size of the second and / or third structural elements is between at least 100 nm and at most 10 ym, in particular between at least 0.5 ym and 5 ym.
  • the size of the structure can be, for example, the distance between two elevations, the diameter of a survey, the
  • the conversion element comprises an active region which is formed with a semiconductor material and comprises a multiplicity of barriers and quantum wells, a multiplicity of first structural elements which are located on an upper side of the
  • Conversion element are arranged and a plurality of second structural elements and / or third structural elements, which are arranged on one of the plurality of first structural elements opposite side of the active region.
  • Secondary radiation is generated, ie at least between the first structural elements and the second or third
  • the first structural elements are intended to scatter radiation emerging from the conversion element, in particular secondary radiation.
  • the second and the third structural elements are predominantly intended to scatter radiation entering the conversion element, in particular
  • Conversion element is increased.
  • the multiplicity of second and / or third structural elements increases the probability of the entry of primary radiation, which is intended for optical pumping of the conversion element, into the active one
  • the conversion elements described here are based, inter alia, on the following considerations: for example, to produce green light, it is possible to directly turn green To use light-generating InGaN-based light-emitting diodes. However, these have an increased forward voltage relative to the physical bandgap. In addition, they have a strong sub-linear light-current dependence. Both problems result in comparison to blue light emitting
  • Light emitting diodes reduce the efficiency to about 50 to 60 percent. Furthermore, such have green light
  • a conversion element which has an organic or inorganic
  • the active region which comprises a large number of barriers and quantum wells, with optical pumping of the active region being provided.
  • optical pumps of the active area is the
  • Structural elements on one side and a plurality of second and / or third structural elements on another side allows an increase in efficiency by more than 30 percent compared to conversion elements that do not comprise any structural elements, for example, within the manufacturing tolerance smooth outer surfaces.
  • the conversion element is free of electrical connections. That is, the conversion element is an electrically inactive component, which is not intended for electrical operation. In particular, this includes
  • Conversion element no electrical contact layers or pads. It takes place during operation of the
  • Conversion element therefore no electrical injection of charge carriers in the active region, but these are only generated by optical pumping of the conversion element, in particular the active region.
  • a carrier for example, for growing a semiconductor body of the Conversion element use can be solved in this case by the wearer.
  • the carrier is detached from the semiconductor body by means of mechanical and / or chemical methods and / or a laser separation method.
  • non-transparent ones can also be used by the wearer
  • Conversion element that is free of a carrier, for example, consists of epitaxially grown semiconductor material.
  • the conversion element comprises a carrier that is formed with a radiation-transmissive material.
  • the carrier is in particular formed with an electrically insulating material. This is possible in the present case, since the
  • Conversion element is in particular electrically inactive and is not intended for electrical operation.
  • the carrier can be a carrier which is attached to the active region after the production of the active region.
  • the carrier can then be a carrier which is attached to the active region after the production of the active region.
  • a radiation-transparent material such as glass, sapphire or A1N or contain at least one of these materials.
  • Carrier is a part of a growth substrate, which has been used in the preparation of the active region of the conversion element.
  • the active one is a part of a growth substrate, which has been used in the preparation of the active region of the conversion element. In this case, the active one
  • Epitaxially grown on the growth substrate and the support and the active region are monolithic
  • the multiplicity of second structural elements is on an outer surface of the carrier facing the active region
  • the second structural elements are arranged between the carrier and the active region.
  • the second structural elements can then, for example, be a structuring of the material of the carrier or a further material is applied to produce the second structural elements on the outer area of the carrier facing the active area and thus arranged between carrier and active area.
  • the third structural elements may be formed from the material of the carrier, or another material may be applied to the carrier to form the third structural elements.
  • the conversion element comprises a support which is formed with a radiation-transmissive material, wherein the plurality of second structural elements at one of the active
  • Area facing outer surface of the carrier is arranged and / or the plurality of third structural elements on an active area facing away from the outer surface of the carrier
  • the plurality of first increases during operation of the conversion element Structural elements the probability of leakage of electromagnetic radiation from the conversion element and the plurality of second and third structural elements increases the probability of the occurrence of
  • Structural elements are in particular
  • the second and third structural elements are coupling-in structures which are provided, in particular, to conduct pump radiation with high efficiency, that is to say in particular while avoiding total reflection of pump radiation on the outer surface or in the conversion element into the active region.
  • the multiplicity of second and third structural elements increases the probability of an escape of electromagnetic radiation from the conversion element and the multiplicity of first structural elements increases the probability of entry of
  • the second and third structural elements are in particular
  • Structural elements are coupling structures, which are intended in particular to guide pump radiation with high efficiency, that is to say in particular while avoiding total reflection of pump radiation on the outer surface or in the conversion element into the active region.
  • the conversion element comprises the plurality of second
  • Embodiment both types of structural elements, which are provided for the coupling of electromagnetic radiation, present in the conversion element. This increases the
  • Conversion element having only the second or only the third structural elements, on.
  • the active region comprises at least 10, in particular at least 35
  • Quantum wells It has been found that such a large number of quantum wells enables a particularly good absorption of the primary radiation in the active region, so that the conversion element is suitable for full conversion of the primary radiation into secondary radiation.
  • the multiplicity of first structural elements is formed by V defects in the active region.
  • the V defects are funnel-shaped and / or inverse pyramidal
  • depressions for example, have a hexagonal border.
  • these V-defects can be created by setting the active region Growth conditions, for example by lowering the growth temperature can be generated. especially the
  • the carrier is part of a growth substrate for the active region and the plurality of second structural elements is formed by a flat surface with a plurality of protrusions which face on the active region
  • Wax surface of the carrier is arranged.
  • the flat surface and the elevations can be generated by structuring the material of the carrier.
  • the carrier may be, for example, a prestructured sapphire carrier.
  • Such a carrier is in a different context in the German patent application DE
  • the elevations are produced, for example, as masks or mask islands of an ELOG (epitaxial lateral over growth) method.
  • the elevations are then formed, for example, with a material such as silicon dioxide or silicon nitride.
  • the multiplicity of third structural elements is represented by a
  • the roughening of the carrier can be generated for example by lapping. Furthermore, it is possible that the roughening by etching with or without
  • Etch mask is generated.
  • a conversion element described here can be used. That is, all for the
  • Conversion element disclosed features are also disclosed for the semiconductor device and vice versa.
  • the radiation-emitting semiconductor device comprises a pump source which generates primary radiation during operation.
  • the pump source may be, for example, a light-emitting diode chip or a laser diode chip.
  • Pump source is preferably electromagnetic radiation from the spectral range of UV radiation and / or blue light.
  • radiation-emitting semiconductor device includes the radiation-emitting semiconductor device here
  • the conversion element is at one
  • Radiation exit surface of the pump source attached to the pump source can for example be placed on the pump source and fixed there.
  • radiation-emitting semiconductor device is the Variety of first structural elements of the conversion element arranged on the side remote from the pump source of the active region, at least the plurality of second structural elements or at least the plurality of third structural elements are between the pump source and the plurality of first
  • Conversion element is applied to the pump source such that the second structural elements and optionally the third structural elements between the pump source and the active region are arranged.
  • the second and third structural elements act as Einkoppel Modellen, whereas the first structural elements as
  • Structural elements is then arranged between the pump source and the further structural elements. Are the first structural element directed to the pump source and serve as
  • Einkoppel devises this has the further advantage that the active area can be, for example, in indirect contact with the pump source and done in this way a Entracerum the conversion element in operation very efficiently.
  • Radiation-emitting semiconductor region is in the active region, the conversion element when excited by the
  • Primary radiation generates secondary radiation.
  • Primary radiation includes, for example, the
  • Spectral range between green and red light According to at least one embodiment of the
  • Radiation-emitting device includes the
  • Radiation-emitting semiconductor device a pump source which generates primary radiation during operation and a
  • Conversion element are arranged on the side remote from the pump source side of the active region and at least the
  • Second structural elements or at least the plurality of third structural elements are arranged between the pump source and the plurality of first structural elements.
  • Range of the conversion element is in operation of the
  • Radiation-emitting semiconductor device generates secondary radiation when excited by the primary radiation.
  • Radiation-emitting semiconductor device is directly between the conversion element and the pump source
  • connection region is formed, for example, by a radiation-permeable adhesive which mechanically fixes the pump source to the conversion element
  • FIGS. 1A and 1B show exemplary embodiments of a conversion element described here on the basis of a schematic sectional illustration.
  • Figures 2A and 2B show embodiments of a radiation-emitting described here
  • 4A, 4B, 4C and 4D is another one
  • FIG. 1A shows a schematic sectional illustration of a first exemplary embodiment of one described here
  • the conversion element 1 comprises a carrier 11 which is permeable to radiation, in particular
  • the conversion element 1 further comprises an intermediate region 12 which is formed, for example, with GaN or InGaN or InAlGaN.
  • the electronic bandgap is greater in the intermediate region 12 than in, for example, quantum wells of the active region 13. For example, FIG
  • Intermediate area 12 has a first sub-area 121, which may be a 3 ⁇ m thick nominally undoped GaN layer.
  • the intermediate region 12 comprises, for example, a second subregion 122, which adjoins the carrier 11
  • the second subregion 122 is, for example, a 2 ⁇ m thick n-doped GaN layer, which is doped, for example, with silicon.
  • the active region 13 follows directly on the side of the intermediate region 12 facing away from the carrier 11.
  • the active region 13 comprises a
  • the active region 13 is for example nominally undoped.
  • the active region 13 comprises at least 10, in particular at least 35, for
  • the Conversion element 1 the top la, the bottom 1b, the first structural elements 14 are formed.
  • the first structural elements 14 are, for example, roughenings produced by etching, wherein the etching can take place with or without a mask or structures produced by self-organized growth, for example V defects.
  • the first structural elements 14 serve as coupling-out structures for increasing the
  • the conversion element further comprises second structural elements
  • the second structural elements 15 are, for example, an ELOG mask or ELOG mask islands or the depressions and elevations of the ELOG mask islands
  • the conversion element 1 comprises third structural elements on its lower side 1b, which is arranged on the side of the intermediate layer 12 facing away from the active region 13
  • the conversion element does not include either the second structural elements 15 or the third structural elements 16.
  • a conversion element 1 is shown, in which the carrier 11, for example, by a chemical process, a mechanical Method and / or a laser separation method is removed.
  • the Konfessionselement 1 consists in this embodiment exclusively of epitaxially produced layers.
  • the plurality of second structural elements 15 by a pre-structured carrier 11 or by means of
  • Carrier may be formed with a non-transparent material. This expands the choices in the selection of the carrier 11.
  • the radiation-emitting semiconductor component comprises the pump source 2, which is mechanically fixedly connected to the conversion element 1 via the connection region 3.
  • the pump source 2 is, for example, a blue light-emitting diode chip which comprises at least a large part of the
  • connection region 3 is, for example, a radiation-transmissive, in particular transparent adhesive, which, in addition to the mechanical connection, also has an optical coupling of the pump source 2 to the
  • Conversion element 1 causes.
  • the conversion element 1 can be, for example, the conversion element explained in more detail in conjunction with FIG. 1A or 1B or any other one described here
  • the radiation-emitting semiconductor component comprises the pump source 2, which is mechanically fixedly connected to the conversion element 1 via the connection region 3.
  • the pump source 2 is, for example, a blue light-emitting diode chip which comprises at least a large part of the
  • connection region 3 is, for example, a radiation-transmissive, in particular transparent adhesive, which, in addition to the mechanical connection, also has an optical coupling of the pump source 2 to the
  • Conversion element 1 causes.
  • the conversion element 1 is arranged with the first structural elements 14 of the pump source 2 facing. In this way, the active region 13 is as close as possible to the pump source 2
  • the first structural elements 14 act as coupling-in structures for the pump radiation.
  • the third structural elements 16 act as coupling-out structures.
  • the first structural elements 14 are designed, for example, as V-defects with a diameter of 0.5 .mu.m.
  • the second structural elements 15 can be produced by structuring the carrier 11 and have, for example, a diameter of 2.8 ym.
  • Structural elements 14 in this embodiment will generally be smaller than the diameters of the second and / or third structural elements 15, 16.
  • the conversion element 1 may further be explained in more detail in connection with FIG. 1A or 1B
  • the second structural elements 15 are dispensed with. That is, that
  • Conversion element 1 comprises the first structural elements 14 on the upper side 1a of the conversion element and the third structural elements 16 on the lower side 1b of the conversion element
  • the first structural elements 14 are identical to The first structural elements 14 .
  • the carrier 11 is, for example, the part of a sapphire growth substrate.
  • the subsequent layers are deposited, for example, on the (0001) growth surface IIa of the substrate.
  • V defects act as coupling-out structures and thus as first structural elements 14.
  • the size, for example the diameter, of the V defects correlates with the thickness of the active layer 13 and is here about 500 nm. Furthermore, the V-defects are not closed again and remain open. By contrast, when using V defects in a conventional light-emitting diode chip, they are (partially) closed again, for example by the growth of a p-side of the semiconductor body, whereas in the present case they are not overgrown.
  • FIGS. 4A to 4D show a variant of the second structural elements 15 in greater detail.
  • FIGS. 4B and 4C show a plan view of the growth surface IIA of the carrier 11.
  • the elevations 152 protrude from the plane formed by the flat surface 151 out.
  • the three-dimensionally shaped elevations 152 extend away from the flat surface 151 upwards.
  • the cross section of the elevations 152 round and be formed in particular circular, like this
  • the elevations 152 can then be designed, for example, as conical elevations.
  • the elevations 152 as shown in FIG. 4C, to also have an angular, for example hexagonal, or triangular, see FIG. 4D, cross section, so that the elevations 152 are formed as pyramidal elevations on the flat surface 151 are.
  • the carrier 11 may be a sapphire carrier which is part of a sapphire growth substrate.
  • the flat surface 151 is then preferably by a
  • the second structural elements 15 can be produced, for example, by etching the carrier 11. They act both as optically active structural elements and to improve the crystal quality in the growth of the subsequent layers of the conversion element and thus increase the efficiency of the conversion element.

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Abstract

Es wird ein Konversionselement (1) angegeben, mit einem aktiven Bereich (13), der mit einem Halbleitermaterial gebildet ist und eine Vielzahl von Barrieren (131) und Quantentrögen (132) umfasst, einer Vielzahl erster Strukturelemente (14), die an einer Oberseite (la) des Konversionselements (1) angeordnet sind, und einer Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) und/oder dritter Strukturelemente (16), die an einer der Vielzahl erster Strukturelemente (14) abgewandten Seite des aktiven Bereichs (13) angeordnet sind. Ferner wird ein Verfahren zu Herstellung eines solchen Konversionselements angegeben.

Description

Beschreibung
Konversionselement und Strahlungsemittierendes
Halbleiterbauelement mit einem solchen Konversionselement
Es wird ein Konversionselement angegeben.
Die Druckschrift WO 2008/092437 AI beschreibt eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Mischlicht. Zur
Erzeugung von grünem Licht findet bei dieser Anordnung ein Oxynitrid- oder Silikat-basiertes Lumineszenz- Konversionselement Verwendung.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Konversionselement anzugeben, mit dem farbiges Licht besonders effizient durch optisches Pumpen des Konversionselements erzeugt werden kann.
Das Konversionselement ist insbesondere zum optischen Pumpen des Konversionselements durch eine Pumpquelle vorgesehen. Das heißt, im Konversionselement wird bevorzugt durch Pumpen mit einer Primärstrahlung eine Sekundärstrahlung erzeugt, welche eine größere Wellenlänge als die Pumpstrahlung aufweist. Zum Beispiel kann das Konversionselement mit UV-Strahlung oder blauem Licht gepumpt werden und langwelligeres Licht,
insbesondere grünes oder rotes Licht als Sekundärstrahlung emittieren. Dabei kann das Konversionselement sowohl dazu vorgesehen sein, Mischstrahlung von der Sekundärstrahlung und der Primärstrahlung zu erzeugen als auch hauptsächlich
Sekundärstrahlung zu emittieren. In diesem Fall ist das
Konversionselement zur sogenannten Vollkonversion der
Primärstrahlung eingerichtet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement einen aktiven Bereich, der mit einem Halbleitermaterial gebildet ist. Der aktive Bereich umfasst eine Vielzahl von Barrieren und Quantentrögen.
Beispielsweise ist der aktive Bereich im Materialsystem
InGaN, zur Erzeugung von grüner Sekundärstrahlung, oder im Materialsystem InGaAlP, zur Erzeugung von roter
Sekundärstrahlung, gebildet. Der aktive Bereich umfasst eine Quantentrogstruktur mit einer Vielzahl von Barrieren und Quantentrögen. Die vom Konversionselement im Betrieb
emittierte Sekundärstrahlung wird durch die Rekombination von Ladungsträgern in den Quantentrögen erzeugt. Die
Ladungsträger werden durch Absorption von Primärstrahlung, die kurzwelliger als die Sekundärstrahlung ist,
beispielsweise in den Barrieren, erzeugt.
Der aktive Bereich kann beispielsweise durch epitaktisches Wachstum zum Beispiel in einer MOVPE (metallorganische
Dampfphasen-Epitaxie) -Anlage hergestellt sein. Das heißt, der aktive Bereich kann epitaktisch gewachsene Schichten umfassen oder aus epitaktisch gewachsenen Schichten bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement eine Vielzahl erster
Strukturelemente, die an einer Oberseite des
Konversionselements angeordnet sind. Bei den ersten
Strukturelementen handelt es sich beispielsweise um Senken und Erhebungen, die an der Oberseite des Konversionselements angeordnet sind. Zum Beispiel können die ersten
Strukturelemente am aktiven Bereich oder im aktiven Bereich ausgebildet sein. Die ersten Strukturelemente weisen dabei vorzugsweise Strukturgrößen auf, welche eine Beeinflussung der im Betrieb im Konversionselement erzeugten
Sekundärstrahlung durch Streuung ermöglichen. Die
Strukturgröße der ersten Strukturelemente beträgt dabei vorzugsweise zwischen wenigstens 100 nm und höchstens 10 ym, insbesondere zwischen wenigstens 0,5 ym und 1,5 ym. Bei der Strukturgröße kann es sich beispielsweise um den Abstand von zwei Erhebungen, den Durchmesser einer Erhebung, den
Durchmesser einer Senke, den Abstand zwischen zwei Senken, die Höhe einer Erhebung und/oder die Tiefe einer Senke eines ersten Strukturelements handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement eine Vielzahl zweiter
Strukturelemente und/oder dritter Strukturelemente, die an einer der Vielzahl der erster Strukturelemente abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet sind.
Bei den zweiten und dritten Strukturelementen kann es sich beispielsweise ebenfalls um Senken und/oder Erhebungen handeln. Die ersten und/oder zweiten Strukturelemente weisen bevorzugt jeweils Strukturgrößen auf, die die
Strukturelemente zur Streuung der in das Konversionselement eintretenden Primärstrahlung befähigen. Beispielsweise beträgt die Strukturgröße der zweiten und/oder der dritten Strukturelemente zwischen wenigstens 100 nm und höchstens 10 ym, insbesondere zwischen wenigstens 0,5 ym und 5 ym. Bei der Strukturgröße kann es sich beispielsweise um den Abstand von zwei Erhebungen, den Durchmesser einer Erhebung, den
Durchmesser einer Senke, den Abstand zwischen zwei Senken, die Höhe einer Erhebung und/oder die Tiefe einer Senke handeln . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement einen aktiven Bereich, der mit einem Halbleitermaterial gebildet ist und eine Vielzahl von Barrieren und Quantentrögen umfasst, eine Vielzahl erster Strukturelemente, die an einer Oberseite des
Konversionselements angeordnet sind und eine Vielzahl zweiter Strukturelemente und/oder dritter Strukturelemente, die an einer der Vielzahl erster Strukturelemente abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet sind.
Beim hier beschriebenen Konversionselement ist der aktive Bereich, in dem im Betrieb des Konversionselements die
Sekundärstrahlung erzeugt wird, also zumindest zwischen den ersten Strukturelementen und den zweiten oder dritten
Strukturelementen angeordnet. Die ersten Strukturelemente sind dabei dazu vorgesehen, aus dem Konversionselement austretende Strahlung, insbesondere Sekundärstrahlung, zu streuen. Die zweiten und die dritten Strukturelemente sind überwiegend dazu vorgesehen, in das Konversionselement eintretende Strahlung zu streuen, insbesondere
Primärstrahlung, mit der das Konversionselement im Betrieb gepumpt wird. Auf diese Weise ist es möglich, dass die
Vielzahl erster Strukturelemente die Wahrscheinlichkeit für den Austritt von elektromagnetischer Strahlung aus dem
Konversionselement erhöht wird. Die Vielzahl zweiter und/oder dritter Strukturelemente erhöht die Wahrscheinlichkeit für den Eintritt von Primärstrahlung, die zum optischen Pumpen des Konversionselements vorgesehen ist, in den aktiven
Bereich .
Dem hier beschriebenen Konversionselement liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde: Beispielsweise zur Erzeugung von grünem Licht ist es möglich, direkt grünes Licht erzeugende InGaN-basierte Leuchtdioden zu verwenden. Diese weisen jedoch relativ zur physikalischen Bandlücke eine erhöhte Vorwärtsspannung auf. Zusätzlich besitzen sie eine stark unterlineare Licht-Strom-Abhängigkeit. Beide Probleme führen im Vergleich zu blaues Licht emittierenden
Leuchtdioden zu einer Reduktion der Effizienz auf zirka 50 bis 60 Prozent. Ferner besitzen solche grünes Licht
emittierende Leuchtdioden ein sehr schlechtes Ladungsträger- Confinement, wodurch es zu einem Verlust von Ladungsträgern in der aktiven Zone kommt. Aufgrund dieser Tatsache weisen die direkt grünes Licht emittierenden Leuchtdioden eine geringere Effizienz insbesondere bei hohen Temperaturen auf.
Prinzipiell ist es möglich, farbiges nicht-blaues Licht, beispielsweise grünes Licht, über Phosphor-Konversion zu erzeugen. Dabei kommt zum Beispiel ein Konversionselement zum Einsatz, das einen organischen oder anorganischen,
insbesondere keramischen, Leuchtstoff (Phosphor) umfasst. Dies ermöglicht die Erzeugung von beispielsweise grünem Licht mit hoher Effizienz, geht jedoch mit einem sehr breiten
Emissionsspektrum einher, was für Anwendungen, bei denen eine gute Farbwiedergabe gewünscht ist, nachteilhaft ist.
Beim hier beschriebenen Konversionselement kommt als aktiver Bereich ein Halbleitermaterial zum Einsatz, das eine Vielzahl von Barrieren und Quantentrögen umfasst, wobei ein optisches Pumpen des aktiven Bereichs vorgesehen ist. Durch das
optische Pumpen des aktiven Bereichs wird die
Ladungsträgerdichte pro Quantentrog gegenüber einer
elektrischen Injektion von Ladungsträgern deutlich reduziert. Dadurch kann sowohl eine bessere Hochstrom-Effizienz sowie auch eine deutlich schmalere spektrale Halbwertsbreite im Vergleich zur Phosphor-Konversion realisiert werden. Ein hier beschriebenes Konversionselement zeichnet sich daher durch eine besonders hohe Effizienz bei einer besonders schmalen Linienbreite des erzeugten Lichts aus. Überraschend hat sich nun gezeigt, dass sich die Effizienz eines Konversionselements, bei dem der aktive Bereich mit einem Halbleitermaterial gebildet ist und eine Vielzahl von Barrieren und Quantentrögen umfasst, durch eine Kombination von Ein- und Auskoppelstrukturen deutlich steigern lässt. Dabei wurde überraschend festgestellt, dass die Anordnung des aktiven Bereichs zwischen einer Vielzahl erster
Strukturelemente an einer Seite und einer Vielzahl zweiter und/oder dritter Strukturelemente an einer anderen Seite eine Erhöhung der Effizienz um mehr als 30 Prozent im Vergleich zu Konversionselementen erlaubt, die keinerlei Strukturelemente, also zum Beispiel im Rahmen der Herstellungstoleranz glatte Außenflächen, umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist das Konversionselement frei von elektrischen Anschlüssen. Das heißt, bei dem Konversionselement handelt es sich um eine elektrisch inaktive Komponente, die nicht zum elektrischen Betreiben vorgesehen ist. Insbesondere umfasst das
Konversionselement keine elektrischen Kontaktschichten oder Anschlussflächen. Es erfolgt im Betrieb des
Konversionselements daher keine elektrische Injektion von Ladungsträgern in den aktiven Bereich, sondern diese werden lediglich durch optisches Pumpen des Konversionselements, insbesondere des aktiven Bereichs erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement frei von einem Träger. Ein Träger, der beispielsweise zum Aufwachsen eines Halbleiterkörpers des Konversionselements Verwendung findet kann in diesem Fall vom Träger gelöst sein. Beispielsweise wird der Träger mittels mechanischen und/oder chemischen Verfahren und/oder einem Lasertrennverfahren vom Halbleiterkörper gelöst. Für den Träger können dann insbesondere auch nichttransparente
Materialien Verwendung finden. Ein solches
Konversionselement, das frei von einem Träger ist, besteht zum Beispiel aus epitaktisch gewachsenen Halbleitermaterial. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement einen Träger, der mit einem strahlungsdurchlässigen Material gebildet ist. Der Träger ist insbesondere mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Dies ist vorliegend möglich, da das
Konversionselement insbesondere elektrisch inaktiv ist und nicht zum elektrischen Betreiben vorgesehen ist.
Bei dem Träger kann es sich beispielsweise um einen Träger handeln, der nach der Herstellung des aktiven Bereichs am aktiven Bereich befestigt wird. Der Träger kann dann
beispielsweise aus einem strahlungsdurchlässigen Material wie Glas, Saphir oder A1N bestehen oder zumindest eines dieser Materialien enthalten. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass es sich bei dem
Träger um einen Teil eines Aufwachssubstrats handelt, das bei der Herstellung des aktiven Bereichs des Konversionselements Verwendung gefunden hat. In diesem Fall ist der aktive
Bereich epitaktisch auf das Aufwachssubstrat aufgewachsen und der Träger und der aktive Bereich sind monolithisch
miteinander verbunden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist die Vielzahl zweiter Strukturelemente an einer dem aktiven Bereich zugewandten Außenfläche des Trägers
angeordnet und/oder die Vielzahl dritter Strukturelemente ist an einer dem aktiven Bereich abgewandten Außenfläche des Trägers angeordnet. Umfasst das Konversionselement zum
Beispiel nur die ersten und die zweiten Strukturelemente, so sind die zweiten Strukturelemente zwischen dem Träger und dem aktiven Bereich angeordnet. Bei den zweiten Strukturelementen kann es sich dann beispielsweise um eine Strukturierung des Materials des Trägers handeln oder ein weiteres Material ist zur Erzeugung der zweiten Strukturelemente an der dem aktiven Bereich zugewandten Außenfläche des Trägers aufgebracht und somit zwischen Träger und aktivem Bereich angeordnet. Umfasst das Konversionselement alternativ oder zusätzlich die
Vielzahl dritter Strukturelemente, so sind diese an der dem aktiven Bereich abgewandten Außenfläche des Trägers
angeordnet. Wiederum können die dritten Strukturelemente aus dem Material des Trägers gebildet sein oder ein weiteres Material ist zur Bildung der dritten Strukturelemente auf dem Träger aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement einen Träger, der mit einem strahlungsdurchlässigen Material gebildet ist, wobei die Vielzahl zweiter Strukturelemente an einer dem aktiven
Bereich zugewandten Außenfläche des Trägers angeordnet ist und/oder die Vielzahl dritter Strukturelemente an einer dem aktiven Bereich abgewandten Außenfläche des Trägers
angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements erhöht im Betrieb des Konversionselements die Vielzahl erster Strukturelemente die Wahrscheinlichkeit für einen Austritt von elektromagnetischer Strahlung aus dem Konversionselement und die Vielzahl zweiter und dritter Strukturelemente erhöht die Wahrscheinlichkeit für den Eintritt von
elektromagnetischer Strahlung in den aktiven Bereich des Konversionselements. Das heißt, bei den ersten
Strukturelementen handelt es sich insbesondere um
Auskoppelstrukturen, welche dazu eingerichtet sind,
elektromagnetische Strahlung besonders effizient aus dem Konversionselement zu führen. Bei den zweiten und dritten Strukturelementen handelt es sich um Einkoppelstrukturen, die dazu vorgesehen sind, insbesondere Pumpstrahlung mit großer Effizienz, das heißt insbesondere unter Vermeidung einer Totalreflexion von Pumpstrahlung an der Außenfläche oder im Konversionselement in den aktiven Bereich zu führen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements erhöht im Betrieb des Konversionselements die Vielzahl zweiter und dritter Strukturelemente die Wahrscheinlichkeit für einen Austritt von elektromagnetischer Strahlung aus dem Konversionselement und die Vielzahl erster Strukturelemente erhöht die Wahrscheinlichkeit für den Eintritt von
elektromagnetischer Strahlung in den aktiven Bereich des Konversionselements. Das heißt, bei den zweiten und dritten Strukturelementen handelt es sich insbesondere um
Auskoppelstrukturen, welche dazu eingerichtet sind,
elektromagnetische Strahlung besonders effizient aus dem Konversionselement zu führen. Bei den ersten
Strukturelementen handelt es sich um Einkoppelstrukturen, die dazu vorgesehen sind, insbesondere Pumpstrahlung mit großer Effizienz, das heißt insbesondere unter Vermeidung einer Totalreflexion von Pumpstrahlung an der Außenfläche oder im Konversionselement in den aktiven Bereich zu führen. Werden die ersten Strukturelement zur Pumpquelle gerichtet und dienen als Einkoppelstrukturen hat dies weiter den Vorteil, dass der aktive Bereich zum Beispiel im mittelbaren Kontakt mit der Pumpquelle stehen kann und auf diese Weise eine
Entwärum des Konversionselements im Betrieb sehr effizient erfolgt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement die Vielzahl zweiter
Strukturelemente und die Vielzahl dritter Strukturelemente. Das heißt, bei einem Konversionselement dieser
Ausführungsform sind beide Arten von Strukturelementen, die zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen sind, im Konversionselement vorhanden. Dies erhöht die
Effizienz des Konversionselements gegenüber einem
Konversionselement, das lediglich die zweiten oder lediglich die dritten Strukturelemente aufweist, weiter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der aktive Bereich wenigstens 10, insbesondere wenigstens 35
Quantentröge . Dabei hat sich gezeigt, dass eine solch große Anzahl von Quantentrögen eine besonders gute Absorption der Primärstrahlung im aktiven Bereich ermöglicht, so dass das Konversionselement zur Vollkonversion der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung geeignet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist die Vielzahl erster Strukturelemente durch V-Defekte im aktiven Bereich gebildet. Bei den V-Defekten handelt es sich um trichterförmige und/oder invers pyramidenförmige
Vertiefungen, die beispielsweise eine hexagonale Umrandung aufweisen. Diese V-Defekte können beispielsweise bei der Herstellung des aktiven Bereichs durch Einstellung der Wachstumsbedingungen, zum Beispiel durch ein Absenken der Wachstumstemperatur, erzeugt werden. Insbesondere die
Herstellung dicker Barrieren und die Herstellung eines dicken aktiven Bereichs begünstigen die Ausbildung der V-Defekte. Die Erzeugung von V-Defekten ist in einem anderen
Zusammenhang beispielsweise in der Druckschrift WO
2011/080219 AI beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist der Träger ein Teil eines Aufwachssubstrats für den aktiven Bereich und die Vielzahl zweiter Strukturelemente ist durch eine ebene Fläche mit einer Vielzahl von Erhebungen gebildet, die an der dem aktiven Bereich zugewandten
Aufwachsfläche des Trägers angeordnet ist. Die ebene Fläche sowie die Erhebungen können dabei durch Strukturierung des Materials des Trägers erzeugt sein. In diesem Fall kann es sich bei dem Träger beispielsweise um einen vorstrukturierten Saphirträger handeln. Ein solcher Träger ist in einem anderen Zusammenhang in der deutschen Patentanmeldung DE
102015109761.3 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Alternativ ist es möglich, dass die Erhebungen beispielsweise als Masken oder Maskeninseln eines ELOG (epitaxial lateral over growth) -Verfahrens erzeugt sind. Die Erhebungen sind dann beispielsweise mit einem Material wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid gebildet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist die Vielzahl dritter Strukturelemente durch eine
Aufrauung der dem aktiven Bereich abgewandten Außenfläche des Trägers gebildet. Die Aufrauung des Trägers kann beispielsweise durch Läppen erzeugt sein. Ferner ist es möglich, dass die Aufrauung durch Ätzen mit oder ohne
Ätzmaske erzeugt ist.
Es wird ferner ein Strahlungsemittierendes
Halbleiterbauelement angegeben. Bei dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement kann
insbesondere ein hier beschriebenes Konversionselement zum Einsatz kommen. Das heißt, sämtliche für das
Konversionselement offenbarten Merkmale sind auch für das Halbleiterbauelement offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements umfasst das Strahlungsemittierende Halbleiterbauelement eine Pumpquelle, die im Betrieb Primärstrahlung erzeugt. Bei der Pumpquelle kann es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip oder um einen Laserdiodenchip handeln. Die Primärstrahlung der
Pumpquelle ist vorzugsweise elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von UV-Strahlung und/oder blauem Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements umfasst das Strahlungsemittierende Halbleiterbauelement ein hier
beschriebenes Konversionselement, wobei die Pumpquelle mechanisch mit dem Konversionselement verbunden ist.
Beispielsweise ist das Konversionselement an einer
Strahlungsaustrittsfläche der Pumpquelle an der Pumpquelle befestigt. Das Konversionselement kann beispielsweise auf die Pumpquelle gesetzt und dort befestigt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist die Vielzahl erster Strukturelemente des Konversionselements an der der Pumpquelle abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet, zumindest die Vielzahl zweiter Strukturelemente oder zumindest die Vielzahl dritter Strukturelemente sind zwischen der Pumpquelle und der Vielzahl erster
Strukturelemente angeordnet. Das heißt, das
Konversionselement ist derart an der Pumpquelle aufgebracht, dass die zweiten Strukturelemente und gegebenenfalls die dritten Strukturelemente zwischen der Pumpquelle und dem aktiven Bereich angeordnet sind. Auf diese Weise wirken die zweiten und dritten Strukturelemente als Einkoppelstrukturen, wohingegen die ersten Strukturelemente als
Auskoppelstrukturen wirken. Alternativ ist es möglich, dass die Vielzahl erster
Strukturen als Einkoppelstrukturen wirkt und der Pumpquelle zugewandt ist. Das heißt, die Vielzahl erster
Strukturelemente ist dann zwischen der Pumpquelle und den weiteren Strukturelementen angeordnet. Werden die ersten Strukturelement zur Pumpquelle gerichtet und dienen als
Einkoppelstrukturen hat dies weiter den Vorteil, dass der aktive Bereich zum Beispiel im mittelbaren Kontakt mit der Pumpquelle stehen kann und auf diese Weise eine Entwärum des Konversionselements im Betrieb sehr effizient erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs wird im aktiven Bereich das Konversionselement bei Anregung durch die
Primärstrahlung Sekundärstrahlung erzeugt. Die
Sekundärstrahlung ist dabei niederenergetischer als die
Primärstrahlung und umfasst beispielsweise den
Spektralbereich zwischen grünem und rotem Licht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Strahlungsemittierenden Bauelements umfasst das
Strahlungsemittierende Halbleiterbauelement eine Pumpquelle, die im Betrieb Primärstrahlung erzeugt und ein
Konversionselement wie es hier beschrieben ist. Die
Pumpquelle ist mechanisch mit dem Konversionselement
verbunden, die Vielzahl erster Strukturelemente des
Konversionselements sind an der der Pumpquelle abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet und zumindest die
Vielzahl zweiter Strukturelemente oder zumindest die Vielzahl dritter Strukturelemente sind zwischen der Pumpquelle und der Vielzahl erster Strukturelemente angeordnet. Im aktiven
Bereich des Konversionselements wird im Betrieb des
Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements bei Anregung durch die Primärstrahlung Sekundärstrahlung erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist direkt zwischen dem Konversionselement und der Pumpquelle ein
Verbindungsbereich angeordnet, der die mechanische Verbindung zwischen dem Konversionselement und der Pumpquelle
vermittelt. Der Verbindungsbereich ist beispielsweise durch einen strahlungsdurchlässigen Klebstoff gebildet, der die Pumpquelle mechanisch fest mit dem Konversionselement
verbindet und gleichzeitig eine optische Kopplung zwischen dem Konversionselement und der Pumpquelle herstellt.
Im Folgenden werden das hier beschriebene Konversionselement sowie das hier beschriebene Strahlungsemittierende
Halbleiterbauelement anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren 1A und 1B zeigen Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Konversionselements anhand einer schematischen Schnittdarstellung . Die Figur 2A und 2B zeigen Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen strahlungsemittierenden
Halbleiterbauelements anhand einer schematischen Schnittdarstellung . In Verbindung mit den schematischen Darstellungen der Figuren
3A, 3B, 3C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Konversionselements näher erläutert . In Verbindung mit den schematischen Darstellungen der Figuren
4A, 4B, 4C und 4D ist ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen
Konversionselements näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren
dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere
Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die Figur 1A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen
Konversionselements. Das Konversionselement 1 umfasst einen Träger 11, der strahlungsdurchlässig, insbesondere
transparent ausgebildet ist. Bei dem Träger 11 handelt es sich beispielsweise um einen Teil eines Saphir- Aufwachssubstrats , auf das die nachfolgenden Schichten epitaktisch aufgewachsen sind. Der Träger 11 ist daher mit den übrigen Komponenten des Konversionselements monolithisch verbunden. Das Konversionselement 1 umfasst weiter einen Zwischenbereich 12, der beispielsweise mit GaN oder InGaN oder InAlGaN gebildet ist. Die elektronische Bandlücke ist im Zwischenbereich 12 größer als in zum Beispiel Quantentrögen des aktiven Bereichs 13. Zum Beispiel umfasst der
Zwischenbereich 12 einen ersten Unterbereich 121, bei dem es sich um eine 3 ym dicke nominell undotierte GaN-Schicht handeln kann.
Ferner umfasst der Zwischenbereich 12 beispielsweise einen zweiten Unterbereich 122, der an der dem Träger 11
abgewandten Seite des ersten Unterbereichs 121 direkt auf diesen folgt. Beim zweiten Unterbereich 122 handelt es sich beispielsweise um eine 2 ym dicke n-dotierte GaN-Schicht, die beispielsweise mit Silizium dotiert ist. An der dem Träger 11 abgewandten Seite des Zwischenbereichs 12 folgt direkt der aktive Bereich 13. Der aktive Bereich 13 umfasst eine
Vielzahl von InGaN-basierten Quantentrögen 132, die durch GaN-basierte, InGaN-basierte oder InAlGaN-basierte Barrieren 131 voneinander getrennt sind. Der aktive Bereich 13 ist dabei beispielsweise nominell undotiert. Der aktive Bereich 13 umfasst wenigstens 10, insbesondere wenigstens 35, zum
Beispiel genau 40 Quantentröge 132. Dabei hat sich gezeigt, dass eine solch große Anzahl von Quantentrögen eine besonders gute Absorption der Primärstrahlung im aktiven Bereich ermöglicht, so dass das Konversionselement zur Vollkonversion der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung geeignet ist.
An der dem Träger 11 abgewandten Seite des
Konversionselements 1, der Oberseite la, die der Unterseite lb gegenüberliegt, sind die ersten Strukturelemente 14 ausgebildet. Bei den ersten Strukturelementen 14 handelt es sich beispielsweise um durch Ätzen erzeugte Aufrauungen, wobei das Ätzen mit oder ohne Maske erfolgen kann oder um durch selbstorganisiertes Wachstum erzeugte Strukturen, zum Beispiel um V-Defekte. Die ersten Strukturelemente 14 dienen dabei als Auskoppelstrukturen zur Erhöhung der
Austrittswahrscheinlichkeit für im Konversionselement im Betrieb erzeugte Sekundärstrahlung.
Das Konversionselement umfasst weiter zweite Strukturelemente
15, die zwischen dem Träger und der Zwischenschicht 12 angeordnet sind. Bei den zweiten Strukturelementen 15 handelt es sich beispielsweise um eine ELOG-Maske oder um ELOG- Maskeninseln oder um die Senken und Erhebungen der
strukturierten Substratoberfläche .
Ferner umfasst das Konversionselement 1 an seiner Unterseite lb, die an der dem aktiven Bereich 13 abgewandten Seite der Zwischenschicht 12 angeordnet ist, dritte Strukturelemente
16, bei denen es sich beispielsweise um Aufrauungen handelt, die durch Läppen, periodische Strukturierung oder
selbstorganisierte Strukturierung erzeugt sind. Im Unterschied zu dem in der Figur 1A schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel des Konversionselements ist es auch möglich, dass das Konversionselement entweder die zweiten Strukturelemente 15 oder die dritten Strukturelemente 16 nicht umfasst.
In der schematischen Schnittdarstellung der Figur 1B ist ein Konversionselement 1 dargestellt, bei dem der Träger 11 zum Beispiel durch ein chemisches Verfahren, ein mechanisches Verfahren und/oder ein Lasertrennverfahren entfernt ist. Das Konfessionselement 1 besteht in diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich aus epitaktisch hergestellten Schichten. Mit Vorteil kann die Vielzahl zweiter Strukturelemente 15 durch einen vorstrukturierten Träger 11 oder mittels des
Ablöseverfahrens für den Träger erzeugt werden. Ferner ist es in dieser Ausführungsform mit Vorteil möglich, dass der
Träger mit einem nicht-transparentem Material gebildet sein kann. Dies erweitert die Auswahlmöglichkeiten bei der Auswahl des Trägers 11.
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 2A ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements näher
erläutert. In Ergänzung zum Konversionselement 1 umfasst das Strahlungsemittierende Halbleiterbauelement die Pumpquelle 2, die über den Verbindungsbereich 3 mechanisch fest mit dem Konversionselement 1 verbunden ist. Bei der Pumpquelle 2 handelt es sich vorliegend beispielsweise um einen blauen Leuchtdiodenchip, der zumindest einen Großteil der
emittierten Strahlung durch die dem Konversionselement 1 zugewandte Außenfläche abstrahlt.
Bei dem Verbindungsbereich 3 handelt es sich beispielsweise um einen strahlungsdurchlässigen, insbesondere transparenten Klebstoff, der neben der mechanischen Verbindung auch eine optische Ankopplung der Pumpquelle 2 an das
Konversionselement 1 bewirkt. Bei dem Konversionselement 1 kann es sich beispielsweise um das in Verbindung mit den Figur 1A oder 1B näher erläuterte Konversionselement oder jedes andere hier beschriebene
Konversionselement handeln. In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 2A ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements näher
erläutert. In Ergänzung zum Konversionselement 1 umfasst das Strahlungsemittierende Halbleiterbauelement die Pumpquelle 2, die über den Verbindungsbereich 3 mechanisch fest mit dem Konversionselement 1 verbunden ist. Bei der Pumpquelle 2 handelt es sich vorliegend beispielsweise um einen blauen Leuchtdiodenchip, der zumindest einen Großteil der
emittierten Strahlung durch die dem Konversionselement 1 zugewandte Außenfläche abstrahlt.
Bei dem Verbindungsbereich 3 handelt es sich beispielsweise um einen strahlungsdurchlässigen, insbesondere transparenten Klebstoff, der neben der mechanischen Verbindung auch eine optische Ankopplung der Pumpquelle 2 an das
Konversionselement 1 bewirkt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 2A ist das Konversionselement 1 mit den ersten Strukturelementen 14 der Pumpquelle 2 zugewandte angeordnet. Auf diese Weise ist der aktive Bereich 13 möglichst nah an der Pumpquelle 2
angeordnet. Dadurch ergeben sich eine verbesserte Entwärmung des aktiven Bereichs 13 und eine verringerte Absorption von Pumpstrahlung auf dem Weg zum aktiven Bereich 13. Die ersten Strukturelemente 14 wirken als Einkoppelstrukturen für die Pumpstrahlung. Die zweiten Strukturelemente 15 und
gegebenenfalls die dritten Strukturelemente 16 wirken als Auskoppelstrukturen. Die ersten Strukturelemente 14 sind dabei beispielsweise als V-Defekte mit einem Durchmesser von 0,5 ym ausgeführt. Die zweiten Strukturelemente 15 können durch eine Strukturierung des Trägers 11 erzeugt sein und weisen zum Beispiel einen Durchmesser von 2,8 ym auf.
Beispielsweise kann der Durchmesser der ersten
Strukturelemente 14 in dieser Ausführungsform allgemein kleiner sein als der der Durchmesser der zweiten und/oder der dritten Strukturelemente 15,16. Zum Beispiel ist der der zweiten und/oder der dritten Strukturelemente 15,16
wenigstens 2 mal, insbesondere wenigstens 5 mal so groß wie der Durchmesser der ersten Strukturelemente 14. Bei dem Konversionselement 1 kann es sich weiter um das in Verbindung mit den Figur 1A oder 1B näher erläuterte
Konversionselement oder jedes andere hier beschriebene
Konversionselement handeln. In Verbindung mit den schematischen Darstellungen der Figuren 3A bis 3C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Konversionselements 1 näher erläutert. Beim Konversionselement 1, das in Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 3A erläutert ist, ist im
Vergleich zum Konversionselement der Figur 1A auf die zweiten Strukturelemente 15 verzichtet. Das heißt, das
Konversionselement 1 umfasst die ersten Strukturelemente 14 an der Oberseite la des Konversionselements sowie die dritten Strukturelemente 16 an der Unterseite lb des
Konversionselements.
Bei den ersten Strukturelementen 14 handelt es sich
beispielsweise um V-Defekte, wie sie in Verbindung mit den Figuren 3B und 3C näher erläutert sind. Der mit Up
gekennzeichnete Pfeil gibt dabei in der Figur 3B die
Wachstumsrichtung an, mit der der aktive Bereich 13 auf den Träger 11 abgeschieden ist. Bei dem Träger 11 handelt es sich beispielsweise um den Teil eines Saphir-Aufwachssubstrats . Die nachfolgenden Schichten sind dabei beispielsweise auf die ( 0001 ) -Aufwachsfläche IIa des Substrats abgeschieden.
Durch Einstellung geeigneter Wachstumstemperaturen,
beispielsweise einer reduzierten Wachstumstemperatur, entstehen trichterförmige Vertiefungen mit hexagonaler
Umrandung, wie sie schematisch in der Figur 3B in der
Draufsicht und in der Figur 3C in der Schnittdarstellung dargestellt sind, im aktiven Bereich 13. An der dem
Aufwachssubstrat abgewandten Seite des aktiven Bereichs 13 wirken die V-Defekte als Auskoppelstrukturen und damit als erste Strukturelemente 14.
Die Größe, zum Beispiel der Durchmesser, der V-Defekte korelliert mit der Dicke der aktiven Schicht 13 und liegt hier bei circa 500nm. Des Weiteren werden die V-Defekte nicht wieder geschlossen und bleiben offen. Bei einer Verwendung von V-Defekten in einem herkömmlichen Leuchtdiodenchip werden diese im Unterschied dazu beispielsweise durch das Wachstum einer p-Seite des Halbleiterkörpers wieder (teilweise) geschlossen, wohingegen sie vorliegend nicht überwachsen werden .
In Verbindung mit den schematischen Darstellungen der Figuren 4A bis 4D ist eine Variante der zweiten Strukturelemente 15 näher erläutert. Die Figur 4A zeigt dabei den Träger 11 in einer Schnittdarstellung, die Figuren 4B und 4C zeigen eine Aufsicht auf die Aufwachsfläche IIA des Trägers 11. Wie in der Schnittdarstellung der Figur 4A dargestellt, ragen die Erhebungen 152 aus der durch die ebene Fläche 151 gebildeten Ebene heraus. Die dreidimensional ausgeformten Erhebungen 152 erstrecken sich von der ebenen Fläche 151 nach oben weg.
Dabei kann der Querschnitt der Erhebungen 152 rund und insbesondere kreisförmig ausgebildet sein, wie dies
beispielsweise in der Figur 4B gezeigt ist. Die Erhebungen 152 können dann zum Beispiel als kegelförmige Erhebungen ausgebildet sein. Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Erhebungen 152 wie in der Figur 4C gezeigt, auch einen eckigen, beispielsweise einen sechseckigen, oder einen dreieckigen, siehe Figur 4D, Querschnitt aufweisen, so dass die Erhebungen 152 als pyramidenförmige Erhebungen auf der ebenen Fläche 151 ausgebildet sind.
Bei dem Träger 11 kann es sich dabei um einen Saphirträger handeln, der Teil eines Saphir-Aufwachssubstrats ist. Die ebene Fläche 151 ist dann bevorzugt durch eine
kristallographische c-Fläche des Saphirs gebildet. Die zweiten Strukturelemente 15 können zum Beispiel durch Ätzen des Trägers 11 erzeugt werden. Sie wirken sowohl als optisch wirksame Strukturelemente als auch zur Verbesserung der Kristallqualität beim Wachstum der nachfolgenden Schichten des Konversionselements und erhöhen somit die Effizienz des Konversionselements.
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. Es wird die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE
102016101442.7 beansprucht, deren Offenbarung hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen ist. Bezugs zeichenliste
1 Konversionselement la Oberseite
lb Unterseite
11 Träger
IIa Aufwachstlache
12 Zwischenbereich
121 erster Unterbereich
122 zweiter Unterbereich
13 aktiver Bereich
131 Barriere
132 Quantentrog
14 erste Strukturelemente
15 zweite Strukturelemente
151 ebene Fläche
152 Erhebung
16 dritte Strukturelemente
2 Pumpquelle
3 Verbindungsbereich

Claims

Patentansprüche
1. Konversionselement (1) mit
- einem aktiven Bereich (13), der mit einem
Halbleitermaterial gebildet ist und eine Vielzahl von
Barrieren (131) und Quantentrögen (132) umfasst,
- einer Vielzahl erster Strukturelemente (14), die an einer Oberseite (la) des Konversionselements (1) angeordnet sind, und
- einer Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) und/oder dritter Strukturelemente (16), die an einer der Vielzahl erster Strukturelemente (14) abgewandten Seite des aktiven Bereichs (13) angeordnet sind.
2. Konversionselement (1) nach dem vorherigen Anspruch, das frei von elektrischen Anschlüssen ist.
3. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
das frei von einem Träger (11) ist.
4. Konversionselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2 mit
- einem Träger (11), der mit einem strahlungsdurchlässigen Material gebildet ist, wobei
- die Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) an einer dem aktiven Bereich (13) zugewandten Außenfläche des Trägers (11) angeordnet ist, und/oder
- die Vielzahl dritter Strukturelemente (16) an einer dem aktiven Bereich (13) abgewandten Außenfläche des Trägers (11) angeordnet ist.
5. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Vielzahl erster Strukturelemente (14) die
Wahrscheinlichkeit für einen Austritt von elektromagnetischer Strahlung aus dem Konversionselement (1) erhöht und die
Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) und dritter
Strukturelemente (16) die Wahrscheinlichkeit für den Eintritt von elektromagnetischer Strahlung in den aktiven Bereich (13) erhöht .
6. Konversionselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) und/oder dritter Strukturelemente (16) die Wahrscheinlichkeit für einen Austritt von elektromagnetischer Strahlung aus dem Konversionselement (1) erhöht und die Vielzahl erster
Strukturelemente (14) die Wahrscheinlichkeit für den Eintritt von elektromagnetischer Strahlung in den aktiven Bereich (13) erhöht .
7. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
das die Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) und die
Vielzahl dritter Strukturelemente (16) umfasst.
8. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem der aktive Bereich (13) wenigstens 10, insbesondere wenigstens 35 Quantentröge (132) umfasst.
9. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Vielzahl erster Strukturelemente (14) durch V- Defekte im aktiven Bereich (13) gebildet ist.
10. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Vielzahl erster, zweiter und/oder dritter
Strukturelemente (14,15,16) durch zumindest einen Ätzprozess gebildet ist.
11. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem der Träger (11) ein Teil eines Aufwachssubstrats mit einer dem aktiven Bereich (13) zugewandten Aufwachsfläche (IIa) für den aktiven Bereich (13) ist und die Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) eine ebene Flächen (151) mit einer Vielzahl von Erhebungen (152) umfasst, die an der dem aktiven Bereich (13) zugewandten Aufwachsfläche (IIa) des Trägers (11) angeordnet sind.
12. Konversionselement (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Vielzahl dritter Strukturelemente (16) durch eine Aufrauung der dem aktiven Bereich (13) abgewandten
Außenfläche des Trägers (11) gebildet ist.
13. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit
- einer Pumpquelle (2), die im Betrieb Primärstrahlung erzeugt, und
- einem Konversionselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- die Pumpquelle (2) mechanisch mit dem Konversionselement (1) verbunden ist,
- die Vielzahl erster Strukturelemente (14) des
Konversionselements (1) an der der Pumpquelle (2) zugewandten Seite des aktiven Bereichs (13) angeordnet ist, - die Vielzahl erster Strukturelemente (14) zwischen der Pumpquelle (2) und der Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) oder dritter Strukturelemente (16) angeordnet ist, und
- im aktiven Bereich (13) des Konversionselements (1) bei Anregung durch die Primärstrahlung Sekundärstrahlung erzeugt wird .
14. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit
- einer Pumpquelle (2), die im Betrieb Primärstrahlung erzeugt, und
- einem Konversionselement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- die Pumpquelle (2) mechanisch mit dem Konversionselement (1) verbunden ist,
- die Vielzahl erster Strukturelemente (14) des
Konversionselements (1) an der der Pumpquelle (2) abgewandten Seite des aktiven Bereichs (13) angeordnet ist,
- zumindest die Vielzahl zweiter Strukturelemente (15) oder zumindest die Vielzahl dritter Strukturelemente (16) zwischen der Pumpquelle (2) und der Vielzahl erster Strukturelemente (14) angeordnet sind, und
- im aktiven Bereich (13) des Konversionselements (1) bei Anregung durch die Primärstrahlung Sekundärstrahlung erzeugt wird .
15. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach den beiden vorherigen Ansprüchen,
bei dem direkt zwischen dem Konversionselement (1) und der Pumpquelle (2) ein Verbindungsbereich (3) angeordnet ist, der die mechanische Verbindung zwischen dem Konversionselement (1) und der Pumpquelle (2) vermittelt.
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