EP2519971A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zum herstellen eines optoelektronischen bauelements - Google Patents

Optoelektronisches bauelement und verfahren zum herstellen eines optoelektronischen bauelements

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EP2519971A1
EP2519971A1 EP11710172A EP11710172A EP2519971A1 EP 2519971 A1 EP2519971 A1 EP 2519971A1 EP 11710172 A EP11710172 A EP 11710172A EP 11710172 A EP11710172 A EP 11710172A EP 2519971 A1 EP2519971 A1 EP 2519971A1
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EP
European Patent Office
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semiconductor chip
optoelectronic component
semiconductor chips
electromagnetic radiation
component according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11710172A
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Inventor
Ralph Wirth
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H01L33/60—Reflective elements

Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic component for mixing electromagnetic radiation of different wavelengths.
  • an optoelectronic component for mixing electromagnetic radiation of different wavelengths.
  • a first semiconductor chip can partially absorb the electromagnetic radiation of a second semiconductor chip, which degrades the light output of the optoelectronic component.
  • blue emitting InGaN semiconductor chips may be colored with red
  • the object of the invention is to provide an optoelectronic component which minimizes the absorption losses.
  • Centrosymmetric means that the first
  • Surface emitters are at least partially in a highly reflective material, especially a T1O 2
  • Material for the barriers can be PBT
  • the barrier serves for the complete optical separation of the inner region with the first semiconductor chips from the outer region with the second semiconductor chips.
  • Figure la shows a plan view of a
  • Figure lb shows a sectional view of the
  • Figure lc shows a sectional view of the
  • Figure ld shows a sectional view of the
  • Figure 2a shows a plan view of a
  • Figure 2b shows a plan view of a
  • Figure 4a shows a 3-dimensional view of a
  • FIG. 4b shows a sectional view of FIG
  • FIG. 5b shows a sectional view of FIG
  • FIG. 6 shows a sectional view of a
  • FIG. 7 shows a sectional view of a
  • Figure 8 shows a section of a 3-dimensional
  • FIG. 1 a shows a plan view of an optoelectronic component 1.
  • the optoelectronic component 1 is used for mixing electromagnetic radiation with different wavelengths, in particular in the far field.
  • On a carrier 2 are first semiconductor chips 3 for emitting electromagnetic radiation in a first
  • the first semiconductor chips 3 and the second semiconductor chips 4 are arranged in a single package.
  • the first semiconductor chips 3 are optically separated from the second semiconductor chips 4 by a barrier 5.
  • the first semiconductor chips 3 and the second semiconductor chips 4 are each centrosymmetric about a common
  • the first semiconductor chips 3 are in the inner region 113, in the center of the optoelectronic component 1,
  • the second semiconductor chips 4 are annular in an outer region 114 around the first
  • the barrier 5 between the first semiconductor chips 3 and the second semiconductor chips 4 is annular.
  • the barrier 5 has a high reflectivity of more than 90%, preferably more than 95%.
  • the first semiconductor chips 3 may be formed as AlGalnP semiconductor chips.
  • AlGalnP semiconductor chips emit electromagnetic radiation, preferably from the red spectral region.
  • the second semiconductor chips 4 may be formed as InGaN semiconductor chips.
  • InGaN semiconductor chips preferably emit electromagnetic radiation the UV to the green spectral range, particularly preferably from the blue spectral range.
  • FIG. 1b shows a sectional view of the optoelectronic component from FIG. 1a.
  • the highly reflective barrier 5 has a height between about 200 ym and about 2 mm, preferably a height of about 500 ym.
  • the AlGalnP semiconductor chips 3 are provided with a first
  • Potting material 7 shed.
  • the potting material 7 may comprise silicone or epoxy resin.
  • the InGaN semiconductor chips 4 are encapsulated with a second potting material 9, in particular of silicone.
  • the second potting material 9 in particular of silicone.
  • Potting material 9 has the shape of a planar
  • FIG. 1c differs only from FIG. 1b in that, in the region of the AlGalnP semiconductor chips 3, the carrier 2 between the AlGalnP semiconductor chips 3 is lined with a third potting material 18.
  • the third potting material 18 may be a white, T1O 2 filled,
  • Figure ld shows a further sectional view of the
  • the silicone may also be filled with ZrÜ 2 , Al 2 O 3 or ZnO.
  • the highly reflective material 11 can be flush with the surface emitters 4b. On the surface emitter 4b and the highly reflective material 11 is a second potting material. 9
  • Figure 2a shows a plan view of another
  • Arrangement of the InGaN semiconductor chips is symmetrical about the center Z.
  • Figure 2b shows a plan view of another
  • Optoelectronic component 1 Within the barrier 5, InGaN semiconductor chips 4 are arranged in a rectangular shape. Outside the barrier 5 are AlGalnP -
  • the center Z is the common center of symmetry for the InGaN semiconductor chips 4 and the AlGalnP semiconductor chips 3.
  • Figure 3 shows a plan view of another
  • Optoelectronic component 1 In the center of the Optoelectronic component 1, a single AlGalnP semiconductor chip 3 is arranged, which differs from the
  • a plurality of InGaN semiconductor chips are arranged annularly around the center Z in the outer region 114.
  • Figure 4a shows a 3-dimensional view of a
  • a hemispherical coupling-out lens 6 whose geometry fulfills the Weierstrass condition spans the AlGalnP semiconductor chips 3.
  • the InGaN semiconductor chips 4 span around in a ring-shaped manner
  • the barrier 5 separates the inner region 113 with the AlGalnP semiconductor chips 3 from the outer region 114 with the InGaN semiconductor chips 4. Again, the center Z is the common one
  • FIG. 4b shows a sectional view of FIG
  • Embodiment in Figure lb except that over the inner region 113 in which the AlGalnP - semiconductor chips 3 are arranged a Auskoppellinse 6 is arranged.
  • the coupling-out lens 6 fulfills the Weierstrass condition. This means that the radius 13 of the coupling lens 6 and the radius 12 of the emission surface in the following
  • Refractive index serh ai b / refractive index L in Se The refractive index outside is 1.
  • the refractive index of the lens is assumed to be 1.5.
  • Figure 5a shows a 3-dimensional view of a
  • the InGaN semiconductor chips 4 arranged in a circle around the center of symmetry Z are enclosed by a further, annular, barrier 8.
  • the further barrier 8 has a reflectivity of greater than 90%, preferably greater than 95%.
  • the InGaN semiconductor chips 4 are cast in a second potting material 9. The second
  • Potting material 9 has a conversion means 17, in particular a phosphor. A portion of the electromagnetic radiation emitted by the InGaN semiconductor chips 4 from the blue spectral range is converted by the conversion means 17 into the yellow-green spectral range. The semiconductor chips 3, 4 are over
  • a coupling lens 6 covers the inner
  • the InGaN semiconductor chips 4b are surface emitters,
  • This emission surface 14 has a certain radius 12. About the emission surface 14, the hemispherical lens 6 is spanned. The hemispherical lens 6 has a certain radius 13. The lens 6 has a refractive index 15 of about 1.5. Outside the lens 6, the refractive index of air, namely 1, is assumed. The two radii 12 and 13 are chosen so that the Weierstrass condition is met.
  • Embodiments are not limited to specific feature combinations. Although some

Abstract

Es handelt sich um ein optoelektronisches Bauelement (1) zur Mischung von elektromagnetischer Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen, insbesondere im Fernfeld. Auf einem Träger (2) ist mindestens ein erster Halbleiterchip (3) zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Spektralbereich vorgesehen. Weiters ist auf dem Träger (2) mindestens ein zweiter Halbleiterchip (4, 4a, 4b) zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Spektralbereich vorgesehen. Der erste und der zweite Spektralbereich sind voneinander verschieden. Der mindestens eine erste Halbleiterchip (3) und der mindestens eine zweite Halbleiterchip (4, 4a, 4b) sind in einem einzigen Package angeordnet. Der mindestens eine erste Halbleiterchip (3) ist vom mindestens einen zweiten Halbleiterchip (4, 4a, 4b) durch eine Barriere (5) optisch getrennt. Der mindestens eine erste Halbleiterchip (3) und der mindestens eine zweite Halbleiterchip ( 4, 4a, 4b) sind jeweils zentrosymmetrisch um ein gemeinsames Symmetriezentrum (Z) angeordnet.

Description

OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES OPTOELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement zur Mischung von elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen. Darüber hinaus ist ein
Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen
Bauelements angegeben.
Zur Erzeugung von Mischlicht können in einem
optoelektronischen Bauelement Halbleiterchips, die elektromagnetische Strahlung bei verschiedenen
Wellenlängen emittieren, in unmittelbarer Nähe zueinander kombiniert werden. Dabei kann ein erster Halbleiterchip teilweise die elektromagnetische Strahlung eines zweiten Halbleiterchips absorbieren, was die Lichtleistung des optoelektronischen Bauelements verschlechtert.
Beispielsweise können zur Erzeugung von warmweißem Licht blau emittierende InGaN-Halbleiterchips mit rot
emittierenden AlGalnP-Halbleiterchips kombiniert werden. Dabei können hohe Absorptionsverluste auftreten, da die AlGalnP-Halbleiterchips für die von den InGaN- Halbleiterchips emittierte elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kleiner als etwa 600 nm, also
insbesondere im blauen Spektralbereich, stark
absorbierend sind. Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement vorzusehen, das die Absorptionsverluste minimiert .
Dieses Problem wird durch ein optoelektronisches
Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 bzw. 14 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des optoelektronischen Bauelements sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beispielhafte Ausführungsformen
Verschiedene Ausführungsformen weisen ein
optoelektronisches Bauelement zur Mischung von
elektromagnetischer Strahlung mit verschiedenen
Wellenlängen, insbesondere im Fernfeld, auf. Auf einem Träger ist mindestens ein erster Halbleiterchip zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Spektralbereich vorgesehen. Auf dem Träger ist zudem mindestens ein zweiter Halbleiterchip zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten
Spektralbereich vorgesehen. Der erste und der zweite Spektralbereich sind voneinander verschieden. Der mindestens eine erste Halbleiterchip und der mindestens eine zweite Halbleiterchip sind in einem einzigen Package angeordnet. Der mindestens eine erste Halbleiterchip ist vom mindestens einen zweiten Halbleiterchip durch eine Barriere optisch getrennt. Zudem sind der mindestens eine erste Halbleiterchip und der mindestens eine zweite
Halbleiterchip jeweils zentrosymmetrisch um ein
gemeinsames Symmetriezentrum angeordnet. Durch die Barriere wird verhindert, dass die von den zweiten Halbleiterchips emittierte elektromagnetische Strahlung von den ersten Halbleiterchips absorbiert wird. Zentrosymmetrisch bedeutet, dass die ersten
Halbleiterchips und die zweiten Halbleiterchips jeweils um ein gemeinsames Symmetriezentrum angeordnet sind. Mit anderen Worten weist das optoelektronische Bauelement einen gemeinsamen Schwerpunkt für die ersten und die zweiten Halbleiterchips auf. Dadurch weist das von dem optoelektronischen Bauelement ausgehende Mischlicht eine sehr gute Mischung der elektromagnetischen Strahlungen aus dem ersten und dem zweiten Spektralbereich auf.
Insbesondere im Fernfeld ist die Mischung gut.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die ersten Halbleiterchips in einem inneren Bereich des
optoelektronischen Bauelements angeordnet sein. Die zweiten Halbleiterchips können in einem äußeren Bereich angeordnet sein. Insbesondere können die zweiten
Halbleiterchips ringförmig um die ersten Halbleiterchips angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da dadurch eine gleichmäßige Leuchtdichte, insbesondere im Fernfeld, erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist um die zweiten Halbleiterchips eine weitere Barriere angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da dadurch ein ungewolltes Abfließen von Vergussmaterial nach Außen verhindert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Barriere zwischen den ersten und den zweiten Halbleiterchips ringförmig ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da dadurch eine Mischung der elektromagnetischen Strahlung nicht -zi¬ erst im Fernfeld sondern bereits nach einigen Zentimetern erfolgen kann. Dies kann zum Beispiel auf einer matten Fläche erfolgen.
Auch die weitere Barriere kann ringförmig ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Barrieren eine Höhe zwischen etwa 200 ym und etwa 2 mm,
vorzugsweise eine Höhe von etwa 500 ym, aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da damit vermieden wird, dass
elektromagnetische Strahlung der zweiten Halbleiterchips von den ersten Halbleiterchips absorbiert wird.
Die Halbleiterchips weisen mindestens eine aktive Zone auf, die elektromagnetische Strahlung emittiert. Die aktiven Zonen können pn-Übergänge, Doppelheterostruktur, Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) , Einfach-
Quantentopfstruktur (SQW) sein. Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (3-dim) , Quantendrähte (2-dim) und Quantenpunkte (1-dim) .
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der erste
Halbleiterchip ein AlGalnP-Halbleiterchip sein, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung insbesondere im roten Spektralbereich ausgelegt ist.
Der zweite Halbleiterchip kann auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial , insbesondere einem
Nitridverbindungshalbleitermaterial wie Galliumnitrid
(GaN) aufgewachsen sein. Beispielsweise kann der zweite Halbleiterchip ein InGaN-Halbleiterchip sein, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung insbesondere im blauen Spektralbereich ausgelegt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Teil der von den InGaN-Halbleiterchips emittierten
elektromagnetischen Strahlung aus dem blauen
Spektralbereich durch ein Konversionsmittel in den gelb- grünen Spektralbereich konvertiert werden. Das
Konversionsmittel kann Leuchtstoffpartikel aufweisen. Die Leuchtstoffpartikel können Phosphore aufweisen. Die
Phosphore können Yttrium Aluminium Granat aufweisen. Die teilweise Konversion von blauem Licht in gelbes Licht ist besonders vorteilhaft, da aus der Überlagerung von blauem und gelbem Licht weißes Licht erzeugt werden kann.
Die Anordnung der AlGalnP-Halbleiterchips und der InGaN- Halbleiterchips in einem Package ist besonders
vorteilhaft, da dadurch eine gute Mischung der
elektromagnetischen Strahlung im roten Spektralbereich mit der von den InGaN-Halbleiterchips ausgehend blauen und gelb-grünen Strahlung erreicht werden kann. Diese Mischung aus blauem, gelben und rotem Licht ist besonders geeignet um warm weißes Licht zu erzeugen. Durch die zentrosymmetrische Anordnung der AlGalnP- und der InGaN- Halbleiterchips kann weiter erreicht werden, dass das warm weiße Licht zumindest im Fernfeld eine hohe
Farbhomogenität aufweist. Bei der starken Absorption der AlGalnP-Halbleiterchips für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kleiner als etwa 600 nm ist es besonders vorteilhaft, die AlGalnP- von den InGaN-Halbleiterchips durch eine optische Barriere zu trennen.
Die Halbleiterchips können vergossen sein. Ein
Vergussmaterial dient zum Schutz der Kontaktdrähte, vor allem aber zum Steigern der Effizienz der Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung. Die Effizienz mit Vergussmaterial kann gegenüber der Effizienz ohne
Vergussmaterial um bis zu 80% gesteigert werden.
Die AlGalnP-Halbleiterchips im Zentrum sind mit einem ersten Vergussmaterial vergossen. Als Vergussmaterial kann Silikon oder Epoxidharz verwendet werden. Die
Barriere um die AlGalnP-Halbleiterchips dient dabei auch als Fliesstop für das erste Vergussmaterial. Das erste Vergussmaterial enthält möglichst wenige Streuzentren. Das rote Licht soll ohne eine Wellenlängenkonversion möglichst vollständig das erste Vergussmaterial
verlassen. Insbesondere enthält das erste Vergussmaterial kein Phosphor.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die InGaN- Halbleiterchips mit einem zweiten Vergussmaterial, insbesondere aus Silikon, in Form eines planaren
Volumenvergusses vergossen. Das zweite Vergussmaterial enthält ein Konversionsmittel, insbesondere ein Phosphor. Durch das Konversionsmittel wird ein Teil der von den InGaN-Halbleiterchips emittierten elektromagnetischen Strahlung aus dem blauen Spektralbereich, in
elektromagnetische Strahlung im gelb-grünen
Spektralbereich umgewandelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform überspannt eine halbkugelförmige Auskoppellinse die AlGalnP- Halbleiterchips. Mit anderen Worten bedeckt die
Auskoppellinse die Fläche die von der Barriere um die AlGalnP-Halbleiterchips eingeschlossen ist, also den inneren Bereich bzw. die Emissionsfläche. Die
Auskoppellinse ist vorteilhaft, da sie die
Auskoppeleffizienz für die elektromagnetische Strahlung erhöht, indem der Anteil der total reflektierten
Strahlung gegenüber einer Anordnung ohne Linse verringert wird .
In einer bevorzugten Ausführungsform erfüllt die
Geometrie der Auskoppellinse die sogenannte
Weierstraßbedingung. Diese Bedingung fordert, dass das Verhältnis des Radius der kreisförmigen Fläche auf der die AlGalnP-Halbleiterchips angeordnet sind zum Radius der Auskoppellinse dem Verhältnis des Brechungsindex außerhalb der Auskoppellinse zum Brechungsindex innerhalb der Auskoppellinse entspricht. Diese Bedingung kann formelmäßig so angegeben werden:
RadiusFiäche/RadiusLinSe ^
Brechungsindex ausserhaib/Brechunsgindex LinSe Als Brechungsindex außerhalb der Auskoppellinse wird der Brechungsindex von Luft, also 1, angenommen. Die
Auskoppellinse kann aus hochbrechendem Glas bestehen, mit einem Brechungsindex von 1,5. Dies ergibt folgende
Bedingung : RadiusFiäche/RadiusLinse - 1/1,5 = 2/3.
Besteht die Auskoppellinse aus herkömmlichem Silikon beträgt der Brechungsindex 1,4. Besteht die
Auskoppellinse aus hochbrechendem Silikon beträgt der Brechungsindex 1,54. Auch andere Vergussmaterialien sind für die Auskoppellinse einsetzbar.
Der Einfachheit halber kann als Brechungsindex für obige Vergussmaterialien der Wert 1,5 angenommen werden. Wenn die Weierstrassbedinung erfüllt ist, wird die an dem Übergang Auskoppellinse zu Luft stattfinde Totalreflexion minimiert. Dies ist besonders vorteilhaft, da damit die Auskoppelverluste verringert werden. Um die Weierstrassbedingung zu erfüllen, können die
AlGalnP-Halbleiterchips nicht beliebig nahe an der
Barriere angeordnet werden, sondern müssen möglichst zentral angeordnet sein.
Vorzugsweise kann die Auskoppellinse aufgeklebt werden oder durch den Vergussvorgang selbst erzeugt werden.
Ist die Weierstrassbedingung erfüllt, ergibt sich für die von den AlGalnP-Halbleiterchips emittierte
elektromagnetische Strahlung ein Lambertsches Fernfeld.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die InGaN- Halbleiterchips als Volumenemitter, insbesondere als Saphirchips, ausgeprägt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die InGaN-Halbleiterchips als Oberflächenemitter,
insbesondere als Dünnfilmchips, ausgebildet. Die
Oberflächenemitter sind mindestens teilweise in einem hochreflektiven Material, insbesondere einem T1O2
gefüllten Silikon, angeordnet. Alternativ kann das
Silikon auch mit Zr02, AI2O3 oder ZnO gefüllt sein. Die InGaN-Halbleiterchips sind bis zur Höhe der Epitaxie in das weiße Silikon eingebettet. Dies ist besonders
vorteilhaft, da dadurch eine Reflektivität von bis zu 95% erreicht werden kann. Zum Vergleich ist der Träger hoch absorbierend und der InGaN-Halbleiterchip selbst weist eine Reflektivität von nur etwa 85 % auf. Auf die Schicht aus T1O2 gefülltem Silikon erfolgt ein planarer Konversionsverguss mit dem zweiten
Vergussmaterial. Solche planaren Konversionsvergüsse ermöglichen ein Lambertsches Abstrahlprofil der
emittierten elektromagnetischen Strahlung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Barrieren hochreflektiv . Eine Reflektivität von größer 90%, vorzugsweise von größer 95%, ist realisierbar. Als
Material für die Barrieren kann PBT
(Polybutylenterephthalat) verwendet werden, das mit T1O2, ZrÜ2, AI2O3 oder ZnO gefüllt ist. Die hohe Reflektivität der Barriere ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Absorptionsverluste in den Barrieren minimiert werden.
Verschiedene Ausführungsformen weisen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements zur Mischung von elektromagnetischer Strahlung mit
verschiedenen Wellenlängen, insbesondere im Fernfeld, auf. Folgende Verfahrensschritte können angewendet werden: Zunächst wird mindestens ein erster
Halbleiterchip und mindestens ein zweiter Halbleiterchip auf einem Träger angeordnet. Der mindestens eine erste Halbleiterchip und der mindestens eine zweite
Halbleiterchip werden in einem Package angeordnet. Der mindestens eine erste Halbleiterchip und der mindestens eine zweite Halbleiterchip sind zentrosymmetrisch zu einem gemeinsamen Symmetriezentrum angeordnet.
Anschließend wird eine Barriere zwischen dem mindestens einen ersten Halbleiterchip und dem mindestens einen zweiten Halbleiterchip angeordnet. Alternativ kann die Barriere schon vor dem Anordnen der Halbleiterchips vorhanden sein. Hierfür kommen
insbesondere Premold-Packages in Frage.
Die Barriere dient der vollständigen optischen Trennung des inneren Bereichs mit den ersten Halbleiterchips von dem äußeren Bereich mit den zweiten Halbleiterchips.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert .
Figur la zeigt eine Draufsicht auf ein
optoelektronischen Bauelement;
Figur lb zeigt eine Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur la;
Figur lc zeigt eine Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur la;
Figur ld zeigt eine Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur la;
Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf ein
optoelektronischen Bauelement; Figur 2b zeigt eine Draufsicht auf ein
optoelektronischen Bauelement;
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein
optoelektronischen Bauelement; Figur 4a zeigt eine 3-dimensionale Ansicht eines
optoelektronischen Bauelements;
Figur 4b zeigt eine Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur 4a; Figur 5a zeigt eine 3-dimensionale Ansicht eines
optoelektronischen Bauelements;
Figur 5b zeigt eine Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur 5a;
Figur 6 zeigt eine Schnittansicht eines
optoelektronischen Bauelements;
Figur 7 zeigt eine Schnittansicht eines
optoelektronischen Bauelements;
Figur 8 zeigt einen Ausschnitt einer 3-dimensionalen
Ansicht eines optoelektronischen Bauelements,
AU S F Ü H RU N GS B E I S P I E L E Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne
Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Figur la zeigt eine Draufsicht auf ein optoelektronisches Bauelement 1. Das optoelektronische Bauelement 1 dient zur Mischung von elektromagnetischer Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen, insbesondere im Fernfeld. Auf einem Träger 2 sind erste Halbleiterchips 3 zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten
Spektralbereich vorgesehen. Ebenso sind auf dem Träger 2 zweite Halbleiterchips 4 zur Emission von
elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten
Spektralbereich vorgesehen. Die ersten Halbleiterchips 3 und die zweiten Halbleiterchips 4 sind in einem einzigen Package angeordnet. Die ersten Halbleiterchips 3 sind von den zweiten Halbleiterchips 4 durch eine Barriere 5 optisch getrennt. Es sind mehrere erste Halbleiterchips 3 und mehrere zweite Halbleiterchips 4 vorgesehen. Die ersten Halbleiterchips 3 und die zweiten Halbleiterchips 4 sind jeweils zentrosymmetrisch um ein gemeinsames
Symmetriezentrum Z angeordnet. Die ersten Halbleiterchips 3 sind im inneren Bereich 113, im Zentrum des optoelektronischen Bauelements 1,
angeordnet. Die zweiten Halbleiterchips 4 sind in einem äußeren Bereich 114 ringförmig um die ersten
Halbleiterchips 3 angeordnet. Die Barriere 5 zwischen den ersten Halbleiterchips 3 und den zweiten Halbleiterchips 4 ist ringförmig ausgebildet. Die Barriere 5 weist eine hohe Reflektivität von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, auf.
Die ersten Halbleiterchips 3 können als AlGalnP- Halbleiterchips ausgebildet sein. AlGalnP-Halbleiterchips emittieren elektromagnetischer Strahlung vorzugsweise aus dem roten Spektralbereich.
Die zweiten Halbleiterchips 4 können als InGaN- Halbleiterchips ausgebildet sein. InGaN-Halbleiterchips emittieren vorzugsweise elektromagnetische Strahlung aus dem UV- bis in den grünen Spektralbereich, besonders bevorzugt aus dem blauen Spektralbereich.
Figur lb zeigt eine Schnittansicht des optoelektronischen Bauelements aus Figur la. Die hochreflektive Barriere 5 weist eine Höhe zwischen etwa 200 ym und etwa 2 mm, vorzugsweise eine Höhe von etwa 500 ym, auf. Wie schon in Figur la sind die AlGalnP-Halbleiterchips 3 und die
InGaN-Halbleiterchips 4 um das gemeinsame
Symmetriezentrum Z zentrosymmetrisch angeordnet. Die AlGalnP-Halbleiterchips 3 sind mit einem ersten
Vergussmaterial 7 vergossen. Das Vergussmaterial 7 kann Silikon oder Epoxidharz aufweisen. Die InGaN- Halbleiterchips 4 sind mit einem zweiten Vergussmaterial 9, insbesondere aus Silikon, vergossen. Das zweite
Vergussmaterial 9 weist die Form eines planaren
Volumenvergusses auf, der mit der Barriere 5 bündig abschließt .
Figur lc zeigt eine weitere Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur la. Figur lc unterscheidet sich nur dadurch von Figur lb, dass im Bereich der AlGalnP - Halbleiterchips 3 der Träger 2 zwischen den AlGalnP - Halbleiterchips 3 mit einem dritten Vergußmaterial 18 ausgekleidet ist. Als drittes Vergussmaterial 18 kann ein weißer, T1O2 gefüllter,
Verguss eingesetzt werden. Durch das dritte
Vergussmaterial 18 wird erreicht, dass rotes Streulicht effizient reflektiert wird.
Figur ld zeigt eine weitere Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur la. Figur ld zeigt InGaN-Halbleiterchips 4b, die als Oberflächenemitter , insbesondere als Dünnfilmchips, ausgebildet sind. Figur ld unterscheidet sich nur dadurch von Figur lb, dass die InGaN-Halbleiterchips 4b in einem hochreflektiven Material 11, insbesondere einem T1O2 gefüllten Silikon, eingebettet sind. Alternativ zur
Füllung mit T1O2 kann das Silikon auch mit ZrÜ2, AI2O3 oder ZnO gefüllt sein. Das hochreflektive Material 11 kann mit den Oberflächenemittern 4b bündig abschließen. Auf die Oberflächenemitter 4b und das hochreflektive Material 11 ist ein zweites Vergussmaterial 9
aufgebracht .
Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres
optoelektronisches Bauelement. Die AlGalnP - Halbleiterchips 3 sind im inneren Bereich 113 um das Zentrum Z in einer quadratischen Form angeordnet. Die AlGalnP - Halbleiterchips 3 sind von der Barriere 5 umschlossen. Die InGaN - Halbleiterchips 4 sind im äußeren Bereich 114 in einer quadratischen Form um die AlGalnP - Halbleiterchips 3 angeordnet. Auch die
Anordnung der InGaN-Halbleiterchips ist symmetrisch um das Zentrum Z .
Figur 2b zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres
optoelektronischen Bauelement 1. Innerhalb der Barriere 5 sind in einer Rechteckform InGaN - Halbleiterchips 4 angeordnet. Außerhalb der Barriere 5 sind AlGalnP -
Halbleiterchips 3 angeordnet. Wiederum ist das Zentrum Z das gemeinsame Symmetriezentrum für die InGaN - Halbleiterchips 4 und die AlGalnP - Halbleiterchips 3.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres
optoelektronisches Bauelement 1. Im Zentrum des optoelektronischen Bauelements 1 ist ein einziger AlGalnP - Halbleiterchip 3 angeordnet, der von der
hochreflektiven Barriere 5 seitlich umschlossen ist. Um das Zentrum Z sind im äußeren Bereich 114 mehrere InGaN - Halbleiterchips ringförmig angeordnet.
Figur 4a zeigt eine 3-dimensionale Ansicht eines
optoelektronischen Bauelements. Eine halbkugelförmige Auskoppellinse 6, deren Geometrie die Weierstraßbedingung erfüllt, überspannt die AlGalnP-Halbleiterchips 3. Die InGaN-Halbleiterchips 4 umspannen ringförmig, in
regelmäßigen Abständen zueinander, die Anordnung der AlGalnP-Halbleiterchips 3. Die Barriere 5 trennt den inneren Bereich 113 mit den AlGalnP - Halbleiterchips 3 vom äußeren Bereich 114 mit den InGaN-Halbleiterchips 4. Wiederum ist das Zentrum Z das gemeinsame
Symmetriezentrum für die InGaN - Halbleiterchips 4 und die AlGalnP - Halbleiterchips 3.
Figur 4b zeigt eine Schnittansicht des
optoelektronischen Bauelements aus Figur 4a. Das
Ausführungsbeispiel in Figur 4b entspricht dem
Ausführungsbeispiel in Figur lb, außer dass über dem inneren Bereich 113 in dem die AlGalnP - Halbleiterchips 3 angeordnet sind eine Auskoppellinse 6 angeordnet ist. Die Auskoppellinse 6 erfüllt die Weierstrassbedingung . Dies bedeutet, dass der Radius 13 der Auskoppellinse 6 und der Radius 12 der Emissionsfläche in folgendem
Verhältnis zueinander stehen:
RadiusFiäche/RadiusLinSe ^
Brechungsindex aus serhaib/Brechungsindex LinSe Der Brechungsindex außerhalb ist 1. Der Brechungsindex der Linse wird mit 1,5 angenommen.
Figur 5a zeigt eine 3-dimensionale Ansicht eines
optoelektronischen Bauelements. Zusätzlich zu dem in Figur 4a dargestellten Ausführungsbeispiel sind die kreisförmig um das Symmetriezentrum Z angeordneten InGaN- Halbleiterchips 4 von einer weiteren, ringförmigen, Barriere 8 umschlossen. Die weitere Barriere 8 weist eine Reflektivität von größer 90%, vorzugsweise von größer 95%, auf. Die InGaN - Halbleiterchips 4 sind in einem zweiten Vergussmaterial 9 vergossen. Das zweite
Vergussmaterial 9 weist ein Konversionsmittel 17, insbesondere ein Phosphor, auf. Ein Teil der von den InGaN-Halbleiterchips 4 emittierten elektromagnetischen Strahlung aus dem blauen Spektralbereich wird durch das Konversionsmittel 17 in den gelb-grünen Spektralbereich konvertiert. Die Halbleiterchips 3, 4 sind über
elektrische Kontaktierungen und Leiterbahnen 10 mit
(nicht gezeigten) Stromquellen verbunden. Figur 5b zeigt eine Schnittansicht des optoelektronischen Bauelements aus Figur 5a. InGaN-Halbleiterchips 4a als Volumenemitter, insbesondere als Saphirchips, sind in das zweite Vergussmaterial 9 vollständig eingegossen. Im Verguss ist ein Konversionsmittel 17 in Form von
Leuchtpartikeln eingebracht. Die Leuchtpartikel können
Phosphore aufweisen. Wie schon im Ausführungsbeispiel von Figur 4b bedeckt eine Auskoppellinse 6 den inneren
Bereich 113 vollständig. Der äußere Bereich 114 ist von einer weiteren hochreflektiven Barriere 8 eingefasst. Die weitere Barriere 8 weist eine Reflektivität von größer 90%, vorzugsweise von größer 95%, auf. Figur 6 zeigt eine Schnittansicht eines
optoelektronischen Bauelements. Die InGaN - Halbleiterchips 4b sind als Oberflächenemitter,
insbesondere als Dünnfilmchips, ausgelegt. Die InGaN - Halbleiterchips 4b sind seitlich mit einem
hochreflektiven Material 11, insbesondere aus weißem Silikon, vergossen. Auf dieses hochreflektive Material 11 ist das zweite Vergussmaterial 9 aufgebracht. Das zweite Vergussmaterial 9 weist das Konversionsmittel 17 auf. Ansonsten entspricht die Figur 6 der Figur 5b.
Figur 7 zeigt eine Schnittansicht eines
optoelektronischen Bauelements 1. Die AlGalnP- Halbleiterchips 3 im inneren Bereich 113 des
optoelektronischen Bauelements 1 sind mit einem dritten Vergussmaterial 18 seitlich vergossen. Das dritte
Vergussmaterial 18 kann mit Ti02~Partikel gefüllt sein. Durch das dritte Vergussmaterial 18 wird erreicht, dass aus dem Bereich der InGaN-Halbleiterchips 4 in die
Auskoppellinse 6 über dem Bereich der AlGalnP- Halbleiterchips 3 eingekoppeltes Streulicht effizient reflektiert wird. Bei dem Streulicht handelt es sich vorzugsweise um weißes Mischlicht. Auf das dritte
Vergussmaterial 18 ist das erste Vergussmaterial 7 aufgebracht . Figur 8 zeigt einen Ausschnitt von Figur 5a. Es ist der innere Bereich 113 des optoelektronischen Bauelements 1 dargestellt, der von der Barriere 5 eingeschlossen wird. Der innere Bereich 113 bildet eine kreisförmige
Emissionsfläche 14. Diese Emissionsfläche 14 hat einen bestimmten Radius 12. Über der Emissionsfläche 14 ist die halbkugelförmige Linse 6 aufgespannt. Die halbkugelförmige Linse 6 hat einen bestimmten Radius 13. Die Linse 6 weist einen Brechungsindex 15 von etwa 1,5 auf. Außerhalb der Linse 6 wird der Brechungsindex von Luft, nämlich 1, angenommen. Die beiden Radien 12 und 13 sind so gewählt, dass die Weierstrassbedingung erfüllt ist .
Das optoelektronische Bauelement wurde zur
Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Die
Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige
Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen
Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso denkbar, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.
Bezugs zeichenliste
1 optolektronisches Bauelement
2 Träger
3 erster Halbleiterchip, insbesondere AlGalnP- Halbleiterchip
4 zweiter Halbleiterchip, insbesondere InGaN- Halbleiterchip
4a InGaN-Volumenemitter (Saphirchip)
4b InGaN-Oberflächenemitter (Dünnfilmchip)
5 Barriere
6 Auskoppellinse
7 erstes Vergussmaterial (ohne Konversionsmittel)
8 weitere Barriere
9 zweites Vergussmaterial (mit Konversionsmittel)
10 elektrische Kontaktierungen und Leiterbahnen 11 hochreflektives Material (weisses Silikon)
12 Radius der Emissionsfläche
13 Radius der Auskoppellinse
14 Emissionsfläche
15 Brechungsindex der Auskoppellinse 16 Brechungsindex außerhalb der Auskoppellinse
17 Konversionsmittel
18 drittes Vergußmaterial
Z Symmetriezentrum 113 innerer Bereich des optoelektronischen
Bauelements
114 äußerer Bereich des optoelektronischen
Bauelements

Claims

PAT E N TAN S P R U C H E
1. Optoelektronisches Bauelement (1) zur Mischung von elektromagnetischer Strahlung mit verschiedenen
Wellenlängen, insbesondere im Fernfeld, mit:
- einem Träger (2),
- mindestens einem auf dem Träger (2) vorgesehenen ersten Halbleiterchip (3) zur Emission von
elektromagnetischer Strahlung in einem ersten
Spektralbereich,
- mindestens einem auf dem Träger (2) vorgesehenen zweiten Halbleiterchip (4, 4a, 4b) zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten
Spektralbereich,
- wobei der erste und der zweite Spektralbereich voneinander verschieden sind,
- wobei der erste Halbleiterchip (3) und der zweite Halbleiterchip (4, 4a, 4b) in einem einzigen Package angeordnet sind,
- wobei der erste Halbleiterchip (3) vom zweiten Halbleiterchip (4, 4a, 4b) durch eine Barriere (5) optisch getrennt ist und
- wobei der erste Halbleiterchip (3) und der zweite Halbleiterchip ( 4 , 4a, 4b) jeweils zentrosymmetrisch um ein gemeinsames Symmetriezentrum (Z) angeordnet sind.
2. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Halbleiterchip (3) in einem inneren Bereich (113) und der mindestens eine zweite Halbleiterchip (4) in einem äußeren Bereich (114) auf dem Träger (2) angeordnet sind.
3. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei um die zweiten Halbleiterchips (4, 4a, 4b) eine weitere Barriere (8) angeordnet ist.
4. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Barriere (5) und/oder die weitere Barriere (8) ringförmig ausgebildet sind/ist.
5. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der erste Halbleiterchip (3) ein AlGalnP-Halbleiterchip zur Emission von
elektromagnetischer Strahlung im roten Spektralbereich ist .
6. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der zweite Halbleiterchip (4, 4a, 4b) ein InGaN-Halbleiterchip zur Emission von elektromagnetischer Strahlung im blauen
Spektralbereich ist.
7. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 6, wobei ein Teil der vom InGaN-Halbleiterchip (4, 4a, 4b) emittierten elektromagnetischen Strahlung durch ein Konversionsmittel (17), insbesondere in den gelb¬ grünen Spektralbereich, konvertiert wird.
8. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 5, wobei die AlGalnP-Halbleiterchips (3) mit einem ersten Vergussmaterial (7), insbesondere mit Silikon oder Epoxidharz, vergossen sind.
9. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die InGaN-Halbleiterchips (4, 4a, 4b) mit einem zweiten Vergussmaterial (9), insbesondere mit Silikon, in Form eines planaren Volumenvergusses vergossen sind, wobei das zweite Vergussmaterial (9) ein Konversionsmittel (17) aufweist.
10. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei eine halbkugelförmige
Auskoppellinse (6), deren Geometrie insbesondere die Weierstraßbedingung erfüllt, die ersten
Halbleiterchips (3) überspannt.
11. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 oder 9, wobei die InGaN- Halbleiterchips (4) als Volumenemitter (4a),
insbesondere als Saphirchips, und/oder als
Oberflächenemitter (4b) , insbesondere als
Dünnfilmchips, ausgebildet sind.
12. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 11, wobei die Oberflächenemitter (4b) mindestens teilweise in einem hochreflektiven Material (11), insbesondere einem Ti02, Zr02, AI2O3 oder ZnO gefüllten Silikon, angeordnet sind.
13. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Barriere (5) und/oder die weitere Barriere (8) hochreflektiv, mit einer
Reflektivität von größer 90%, vorzugsweise von größer 95%, sind/ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Bauelements zur Mischung von elektromagnetischer Strahlung mit verschiedenen
Wellenlängen, insbesondere im Fernfeld, mit folgenden Verfahrensschritten :
- Anordnen mindestens eines ersten Halbleiterchips (3) auf einem Träger (2),
- Anordnen mindestens eines zweiten Halbleiterchips (4) auf einem Träger (2),
wobei der mindestens eine erste Halbleiterchip (3) und der mindestens eine zweite Halbleiterchip (4, 4a, 4b) in einem einzigen Package zentrosymmetrisch zu einem gemeinsamen Symmetriezentrum (Z) angeordnet werden,
- Anordnen einer Barriere (5) zwischen dem mindestens einen ersten Halbleiterchip (3) und dem mindestens einen zweiten Halbleiterchip (4, 4a, 4b) zur optischen
Trennung .
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