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WO2018158161A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements - Google Patents

Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements Download PDF

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Publication number
WO2018158161A1
WO2018158161A1 PCT/EP2018/054549 EP2018054549W WO2018158161A1 WO 2018158161 A1 WO2018158161 A1 WO 2018158161A1 EP 2018054549 W EP2018054549 W EP 2018054549W WO 2018158161 A1 WO2018158161 A1 WO 2018158161A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optoelectronic component
conversion
conversion element
sol
matrix material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/054549
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David O'brien
Norwin Von Malm
Jörg FRISCHEISEN
Angela Eberhardt
Florian Peskoller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority to US16/484,767 priority Critical patent/US11011683B2/en
Publication of WO2018158161A1 publication Critical patent/WO2018158161A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component. Furthermore, the invention relates to a method for producing an optoelectronic component.
  • Optoelectronic components such as
  • LEDs Light-emitting diodes
  • Semiconductor layer sequence of the device emitted radiation preferably from the blue spectral region in white
  • These converter elements typically have silicone and at least one conversion material.
  • the silicone is used as matrix material.
  • silicone has the disadvantage that when irradiated the
  • Radiation from the blue spectral range can turn yellow.
  • the silicone as matrix material is therefore the limiting factor for the operation of a optoelektronsichen device, in particular for its life.
  • Ceramic converters or a phosphor-to-glass converter usually by means of an adhesive on the
  • silicone is used as an adhesive, but also in this function has the life-limiting disadvantages described.
  • the low thermal conductivity and high permeability of the silicone further limit the operating parameters of a optoelectronic component.
  • the adhesion of silicone to the various materials to be bonded can be poor and thus lead to delamination of the converter element during manufacture.
  • the optoelectronic component should be stable with respect to high
  • optoelectronic device is to be operable at higher powers and in a similar color variety and a high color rendering index (CRI) as with a
  • Silicone matrix be produced. Furthermore, the task of
  • Optoelectronic device to provide an optoelectronic device with improved properties. These objects are achieved by an optoelectronic component according to the independent claim.
  • Optoelectronic component on a semiconductor layer sequence has an active region.
  • the active area is at least one
  • Main radiation exit surface set up to operate Emit radiation.
  • the component has a conversion element which at least partially converts the emitted primary radiation into a secondary radiation.
  • the conversion element is direct and in particular without
  • Conversion element is substrate-free.
  • the conversion element has a first layer.
  • the first layer comprises a conversion material that is in a matrix material
  • the matrix material has at least one condensed inorganic sol-gel material.
  • the sol-gel material is selected from the following group: water glass, metal phosphate, aluminum phosphate, monoaluminum phosphate, modified monoaluminum phosphate, alkoxytetramethoxysilane, tetraethylorthosilicate, methyltrimethoxysilane,
  • the sol-gel material is: water glass, metal phosphate, aluminum phosphate, modified monoaluminum phosphate and / or
  • the condensed sol-gel material has a proportion of between 10% by volume and 70% by volume in the first layer.
  • the proportion of condensed sol-gel material is based on the total volume of sol-gel material and
  • Sol-gel materials are here and below as
  • sol-gel process is one
  • sols Process for the preparation of inorganic or hybrid polymeric materials from colloidal dispersions, the so-called sols.
  • the starting materials are also referred to as precursor materials. Out of them arise in
  • Solution in a first basic reaction finest particles. Due to the special processing of the brine, powders, fibers, layers or aerogels can be produced.
  • the essential basic process of the sol-gel process is the hydrolysis of the precursor materials and the condensation between the resulting reactive species.
  • the sol-gel process is sufficiently known to the person skilled in the art and will not be explained in detail here.
  • sol-gel material is in principle any metal oxide conceivable, but preferably zinc, tin, aluminum, titanium, hafnium, zirconium, gallium, yttrium and / or silicon oxide conceivable that via the sol-gel Process can be made.
  • the best known is the production of silicon dioxide
  • the sol-gel material is baked at a temperature of less than or equal to 350 ° C, in particular less than or equal to 300 ° C or preferably less than or equal to 150 ° C, for example, the semiconductor layer sequence in the curing of the sol-gel
  • inorganic sol-gel materials such as certain aluminum phosphates, may be modified
  • MALP Monoaluminum phosphate
  • WSG potassium water glass
  • the matrix materials in particular the water glasses, and chemical hardeners
  • the inventors have recognized that it is precisely the use of the above-described conversion element with the inorganic matrix material which consists of an inorganic sol-gel
  • Gels are also conceivable, but not preferred, since they usually require higher curing temperatures, usually> 400 ° C, to fully vent and thereby become chemically stable. Because at these temperatures
  • the semiconductor layer sequence can already be thermally damaged, the sol-gel is preferably cured at lower curing temperatures, but the matrices of organic sol-gels are then not chemically stable enough.
  • a particular advantage of the inorganic matrix is that the components can be produced in a composite on an epitaxial substrate (wafer) and then singulated. This is due to the fact that the conversion layer can be applied directly to the wafer and cured on the one hand and on the other hand, that by the inorganic matrix singulation by, for example, sawing with good
  • Cut edge quality is possible. The latter is not possible with silicone, since this is too soft, resulting in the further advantage of the inorganic matrix
  • conversion elements are applied individually to the respective semiconductor layer sequence of the component by means of an adhesive.
  • glue is
  • the device can be more cost effective
  • Wafer level can be produced and it can be at higher
  • Silicone matrix is possible.
  • the optoelectronic device is free of an organic material at least in the emission direction, i. there is no organic material above the main radiation exit surface. It can, however
  • organic material as a housing material and / or as
  • Potting material for example, filled with Ti02, around the semiconductor layer sequence or around the edges of the
  • Conversion element can be used.
  • Optoelectronic device free of an organic adhesive such as silicone or epoxy.
  • Flip chip here means that the device is bonded directly to a carrier or the circuit board. This is known to the person skilled in the art, for example, from DE 10 2015 101 143 A1, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference.
  • the flip chip has a sapphire carrier.
  • the flip chip is part of a chip scale package (CSP).
  • CSP chip scale package
  • Semiconductor layer sequence preferably on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is In] __ n _ m N m Ga or a for example, a nitride compound semiconductor material such as Al n
  • Phosphide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m P or an arsenide compound semiconductor material such as Al is n In] __ n _ m m Ga As, wherein each 0 ⁇ n 1, 0 ⁇ m 1 and n + m ⁇ . 1 In this case, the semiconductor layer sequence
  • Semiconductor layer sequence that is, Al, As, Ga, In, N or P, indicated, although these may be partially replaced by small amounts of other substances and / or supplemented.
  • the semiconductor layer sequence comprises one or more active layers.
  • the at least one active layer is for
  • the active layer contains at least one pn junction or at least one quantum well structure.
  • ultraviolet, visible and / or near-infrared radiation is generated in the active layer during operation of the semiconductor device.
  • the radiation generated in the active layer has a major wavelength.
  • Wavelength at which the greatest radiation intensity is generated during normal operation is generated during normal operation.
  • At least one n-doped semiconductor layer at least one p-doped semiconductor layer and an active layer.
  • Vorzuthenite extends at least one via at least partially over the n-doped
  • the semiconductor layer the p-type semiconductor layer and the active layer. According to at least one embodiment, the
  • the inorganic layer comprises silicon dioxide, silicon nitride, ITO (indium tin oxide) or aluminum oxide.
  • the inorganic layer at least partially forms the
  • the matrix material is a condensed monoaluminum phosphate or a
  • condensed modified monoaluminum phosphate or a condensed aluminum phosphate condensed modified monoaluminum phosphate or a condensed aluminum phosphate.
  • the matrix material is a condensed water glass.
  • Water glass of a conventional glass in particular by its properties, such as porosity.
  • the matrix material is at least lithium water glass, sodium water glass,
  • Conversion element has a chemical hardener.
  • Matrix material for example, between a temperature of 150 to 350 ° C for water glass, it is possible to
  • Test duration which was determined by means of a moisture test.
  • the hardener is formed next to possibly arising Alkalicarbonate another by-product. In the case of a phosphate hardener, this would be an alkali phosphate.
  • the aluminum phosphate described here, monoaluminum phosphate or modified monoaluminum phosphate preferably has a molar ratio of Al to P of 1: 3 to 1: 1.5 and hardens in particular at temperatures between 300 ° C and 350 ° C.
  • the solutions may contain other elements or compounds, however
  • the water glass used for the matrix material can at least be made of lithium water glass, sodium water glass,
  • Potassium water glass between 1: 3 to 3: 1.
  • the ratio between lithium water glass and potassium water glass is 1: 3, 1: 1 or 3: 1, preferably 1: 1.
  • the alkali water glasses may for example have a modulus of 1.5 to 5, preferably a modulus of 2.5 to 4.5.
  • modulus is known to the person skilled in the art and denotes the molar ratio of S1O2 to alkali oxide.
  • a chemical hardener is added.
  • aluminum phosphate for potassium water glass be added as a chemical hardener.
  • the chemical hardening takes place by an ion exchange, in this case
  • Aluminum ions are incorporated into the silicate network, which increases the moisture resistance.
  • By-product is potassium phosphate.
  • Conversion element has a layer thickness of 20 ym to 70 ym for partial conversion or 40 ym to 150 ym for full conversion.
  • the conversion element has a maximum
  • the conversion element for full conversion has a maximum
  • Layer thickness of 150 ym more preferably at most 130 ym, preferably at most 110 ym or at most 90 ym or at most 80 ym or at most 70 ym or at most 60 ym or at most 50 ym or at most 40 ym.
  • Full conversion here means that the radiation of the semiconductor layer sequence does not contribute to less than 5% of the resulting total radiation.
  • radiation of the semiconductor layer sequence can be partially absorbed so that the light emitted from the
  • Conversion element emerging total radiation is composed of the radiation of the semiconductor layer sequence and the converted radiation. This can also be called partial conversion.
  • the total radiation can be white mixed light.
  • the mixed light can be, for example, warm white or cold white.
  • Conversion material selected from the following group: (Y, Gd, Tb, Lu) 3 (Al, Ga) 5 O 12: Ce 3+ , (Sr, Ca) Al S 1 N 3: Eu 2+ ,
  • Conversion material quantum dots such as CdSe, InP or ZnSe. According to at least one embodiment, the
  • Conversion element has a layer thickness of 1 ym to 150 ym.
  • the conversion material may in particular comprise or consist of quantum dots.
  • at least two different conversion materials are embedded in the matrix material.
  • Color rendering index CRI be between 70 and 100.
  • Color rendering index CRI be between 70 and 100.
  • the condensed sol-gel material has a proportion of between 10% by volume and 70% by volume.
  • the sol-gel material has a proportion between 20% by volume and 40% by volume, in particular when the
  • Conversion element is, for example, max. 70% by volume, better max. 65% by volume, preferably max. 60% by volume or max. 55% by volume or max. 50% by volume or max. 45% by volume or max. 40% by volume or max. 35 vol% or max. 30 vol% or max. 25% by volume or max. 20% by volume or max. 15% by volume or max. 10% by volume or max. 5% by volume.
  • the volume fraction of the matrix is between 10% by volume and 65% by volume and the mass fraction is between 5% by weight and 40% by weight.
  • the conversion material has, for example, in the conversion element a proportion of more than 50% by weight, better still more than 60% by weight, preferably more than 65% by weight or more than 70% by weight or more than 75% by weight or more than 80% by weight or more 85% by weight or more than 90% by weight or more than 95% by weight.
  • the conversion material may have a volume fraction of, for example, more than 10% by volume or 20%
  • volume fraction is between 40% by volume and 85% by volume and the
  • Mass fraction between 60% by weight and 90% by weight. This can provide a conversion element that is very thin is formed and a high concentration of
  • a method for producing an optoelectronic component is specified.
  • the method preferably produces the optoelectronic component described here. All definitions and explanations for the optoelectronic component also apply to the method and vice versa.
  • the method comprises the steps:
  • the matrix material consists of at least one solution of a sol-gel material in which the at least one conversion material is dispersed
  • step C) curing the arrangement produced under step B), if necessary modification or processing, for example smoothing, of one of the main radiation exit surface opposite
  • step D) separating the arrangement produced under step C) to produce the optoelectronic component.
  • step D a sharp cutting edge can be generated at the individual optoelectronic components.
  • the application in step B is carried out by means of one of the following methods: screen printing, stencil printing, dispensing, spin coating, electrophoretic coating (EPD), knife coating, spraying, dip coating.
  • one or more further coatings may be applied to the surface and / or the edges of the conversion layer (possibly also to the edges of the semiconductor layer sequence) before or after the separation, for example a
  • Encapsulation layer to be applied.
  • the conversion element which preferably has no organic components and is directly connected to the semiconductor surface, is stable to that of the
  • Semiconductor layer sequence emitted radiation, in particular from a blue spectral range. In addition, this indicates
  • Conversion element on a high thermal stability can therefore be operated at higher operating currents.
  • Conversion element has a better thermal conductivity than conversion elements with silicone matrix, whereby a higher current density is possible. This allows the Stokes heat generated in the conversion material to be more easily dissipated.
  • the semiconductor layer sequence serves as a so-called heat sink. It can therefore
  • temperature-sensitive conversion materials are used.
  • the conversion element can directly on the
  • the semiconductor layer sequence can also be part of a wafer composite. In other words, that can
  • the conversion element need not have areas to which, for example, a contact, such as a bonding pad or bonding wire, must be attached.
  • the matrix material shows a very good adhesion and is much less elastic than silicone. This allows a cutting of the composite with good edge quality.
  • An organic matrix material is here by a
  • inorganic condensed sol-gel material replaced.
  • this inorganic condensed sol-gel material can at least one or more conversion materials embedded.
  • Suitable conversion materials are conventional conversion materials such as phosphors based on oxides or nitrides.
  • Conversion materials such as organic fluorescent or phosphorescent materials or perovskites or polymeric perovskites, fluorescent proteins, are also conceivable as conversion material. As conversion materials and organic dyes can be used.
  • the sol-gel solution, paste or suspension which consists of the sol-gel and the at least one conversion material, can directly on the main radiation exit surface of the sol-gel solution, paste or suspension, which consists of the sol-gel and the at least one conversion material, can directly on the main radiation exit surface of the sol-gel solution, paste or suspension, which consists of the sol-gel and the at least one conversion material, can directly on the main radiation exit surface of the sol-gel solution, paste or suspension, which consists of the sol-gel and the at least one conversion material, can directly on the main radiation exit surface of the
  • Semiconductor layer sequence for example, a flip chip, be applied in the wafer-level scale. Alternatively, it may have been applied to individual chips that are
  • the sol-gel material has a low viscosity and therefore can with a high degree of filling
  • Conversion element can be applied directly, the layers can also be formed thinner than freestanding conversion elements, for subsequent handling such as to stick to the
  • the conversion element has a very good heat dissipation. Another thermal advantage results from the unnecessary adhesive layer and thus a good heat dissipation to
  • An adhesive layer is often based on adhesive materials such as silicone which have comparatively low thermal conductivity, i. a
  • Inorganic matrix materials have a better stability compared to the radiation emitted by the semiconductor layer sequence and to high temperatures as well as a better thermal conductivity compared to organic ones
  • a completely inorganic conversion element can be produced at low production temperatures.
  • Conversion element may also be organic or in part organic sol-gel materials such as alkoxysilanes such as TMOS, TEOS, alkoxides or alkoxanes,
  • sol-gel materials exhibit.
  • the use of organic or partially organically functionalized sol-gel materials is possible, but not preferred, because complete condensation of the sol-gel material does not occur at low temperatures and thus creates a risk to the stability of the device during its lifetime.
  • the matrix material, in particular the sol-gel material is prepared at such temperatures to the
  • Water glass as a matrix material good stability to moisture at 85 ° C, 85 percent relative humidity over 1000 hours, even at relatively low
  • Temperatures for example, be less than or equal to 150 ° C generated. After fabrication of the device at low temperatures, the wafer can be completely off
  • the main radiation exit surface may be modified to accommodate the outcoupling and adhesion between the
  • the main radiation exit surface can be treated by means of plasma or with an inorganic layer, such as
  • the semiconductor layer sequence may be surrounded by scattering particles, which are likewise embedded in a matrix material. It can over the side surfaces of the
  • Semiconductor layer sequence emitted radiation can be reduced.
  • titanium dioxide particles in a matrix material can be used as scattering particles.
  • Matrix material may be the matrix material described here or also an organic matrix material, such as silicone.
  • the optoelectronic component can coatings
  • the coatings may include, for example, a scattering layer.
  • Radiation characteristic can be improved.
  • the conversion element can be a coating or a
  • the protective layer can also be applied after a dicing process, for example by sawing, in order to remove the edges of the
  • evaporated layers of e.g. S1O2 and / or AI2O3 in particular also layers by means of
  • ALD Atomic layer deposition
  • polymeric or hybrid polymer layers for example from Ormocer, polysilazane,
  • the optoelectronic component can be functional
  • Coatings such as anti-reflection coating or filters have. As a result, for example, the light extraction increased or Refelions sakee be minimized. Dielectric filters may also be used
  • the coatings described herein may be used individually in the optoelectronic device or in combination.
  • the conversion material may be used alone or as a mixture with multiple conversion materials in the matrix matrix
  • Color rendering index can be adjusted.
  • Conversion material can be produced warm-white mixed light.
  • the conversion material can be carried out as a particle.
  • the particles preferably have an average diameter between 1 and 35 ⁇ m, in particular between 2 and 20 ⁇ m, preferably between 3 and 15 ⁇ m.
  • the conversion element may comprise a dopant or activator.
  • the activator concentration can be used to set the desired color location.
  • At least one conversion element can have different conversion materials with different particle sizes. Conversion materials, which have larger particles and smaller particles, can be mixed together to form a dense package and therefore a thin one
  • Conversion element can be generated.
  • the conversion element can be generated.
  • Conversion material also have a concentration gradient in the matrix material. For example, larger particles may be located close to the main radiation exit surface, while smaller particles may be disposed of
  • Main radiation exit surface are opposite.
  • Conversion element scattering particles or fillers on.
  • the scattering particles or fillers are Conversion element scattering particles or fillers.
  • the scattering particles or the fillers may have a different shape, for example
  • the particle size being between a few nanometers and a few tens of micrometers. Smaller particles can be used to adjust the viscosity of the suspension.
  • Scattering can be changed and / or the mechanical stability can be improved.
  • An additive may be aerosil or silica, such as sipernate.
  • silica such as sipernate.
  • the first layer has a plurality of partial layers.
  • the first layer may be formed such that the first layer has a plurality of conversion materials, which in
  • Conversion materials can be in same or
  • the partial layers can vary in thickness, compactness,
  • Matrix material, conversion material, grain diameter, scatterers and / or fillers differ.
  • the first layer may have a plurality of sub-layers, which are produced one after the other and thus have a smaller layer thickness and can be produced more compactly than a single first layer.
  • the drying and curing can be between the individual
  • the conversion element has a certain porosity, in all the pores, a material such as a polymer such as silicone or polysilazane, or generally a material that has a low light absorption in the
  • the sol-gel material can be a different or a
  • the sol-gel material can have no organic components and no volatile organic molecules after annealing.
  • the cured sol-gel material can form a glassy or polycrystalline oxide when the solvent is removed.
  • silicon dioxide passivated main radiation exit surface takes place and thereby a low adhesion to the
  • electrical contacts made of gold during manufacture that is done before heating. This is advantageous if only certain areas are to be coated.
  • the conversion element can be applied over the entire surface
  • lithographic structuring can be carried out by removing a portion of the conversion element, for example, which can be used for the electrical contacting or for the component singulation.
  • the structuring can be wet-chemical, for example with Acids or alkalis or by means of plasma, for example with chlorine or fluorine or alkali as a reactive species.
  • the conversion element can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structured wafers. Pre-structuring can be applied over the entire surface to pre-structure
  • the pre-structuring can be done, for example, lithographically.
  • the structuring can be removed, so that arise areas on the wafer on which no conversion element is applied.
  • Areas are free of the conversion element. This can be generated by so-called soap assembling of the conversion element.
  • the polarity that is to say hydrophilic and hydrophobic regions of the materials, is used here in order to influence the deposition of the conversion element.
  • Main radiation exit surface and / or the electrical contacts made of materials that a
  • the hydrophilic / hydrophobic properties can be adjusted by plasma activation.
  • the wet-chemical behavior of the sol of the matrix material can be modified and so-called soap assambly monolayers (SAM) can be produced.
  • SAM soap assambly monolayers
  • Anchor group have. This chemically reactive anchor group selectively reacts with either the
  • the bi-functional molecule can be a
  • Tail group having a second reactive group which is attached to the sol-gel material having a second reactive group which is attached to the sol-gel material.
  • R-SiCl 3 reactive groups R-SiH x Cl Y , R-Si (OH) 3 .
  • the main radiation exit surface may comprise silicon dioxide.
  • the electrical contact can be made of gold.
  • the sol may be an aqueous solution of potassium water glass.
  • the assembly monolayers can have HS-C6H13.
  • the thiol group binds selectively to the gold surface. After washing, the tail group, which may include alkanes, can create an attachment of the sol-gel material to the gold surface.
  • the sol-gel material may be doped with one or more metal ions.
  • the electrical conductivity of the conversion element can be improved. Furthermore, thereby a better current expansion and / or an electrical
  • InGaN can be used as the semiconductor layer sequence.
  • FIG. 1A to 1F each show a schematic side view of an optoelectronic component according to an embodiment
  • FIGS. 2A to 2E show a method for producing a
  • Optoelectronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 1A to 1E each show an optoelectronic component according to an embodiment.
  • FIG. 1A shows a semiconductor layer sequence 1 with an active region which is at least over one
  • Main radiation exit surface 11 in operation emits radiation.
  • the semiconductor layer sequence 1 can for example, from InAlGaN. Right on the
  • the conversion element 2 is arranged. Direct here means that the conversion element 2 directly, that is without further layers or
  • Elements such as an adhesive layer, is disposed on the main radiation exit surface.
  • Conversion element 2 is substrate-free and has a first layer 22 (not shown here).
  • the first layer 22, as shown in FIG. 1B, comprises a matrix material 221 in which at least one
  • the matrix material 221 comprises or consists of at least one condensed inorganic sol-gel material.
  • the sol-gel material can be, for example, water glass, metal phosphate, aluminum phosphate, monoaluminum phosphate or modified
  • the sol-gel material has a proportion of between 10% by volume and 70% by volume in the first layer 22.
  • the conversion element 2 as shown in Figure IC, also have more than one conversion material.
  • the embodiment of Figure IC there are two
  • Conversion materials for example, three, four or five conversion materials embedded in the matrix material 221.
  • the first layer 22 may also consist of several
  • Sublayers 4 and 5 shown, have.
  • the partial layer 4 comprises a matrix material 221 and the conversion material 222 on.
  • As the conversion material 222 conventional conversion materials can be used.
  • the partial layer 5 comprises the matrix material 223 and the conversion material 224.
  • the conversion materials 222, 224 are each embedded in the matrix material.
  • the matrix materials 221, 223 may be the same or different.
  • Conversion materials 222, 224 may be the same or
  • FIG. IE shows an optoelectronic component 100 according to an embodiment, which is formed as a so-called flip-chip.
  • the flip chip has a
  • the conversion element 2 is arranged.
  • the main radiation exit surface 11 opposite side contacts 9 are arranged, which serve for electrical contacting of the semiconductor layer sequence 1. In the case two contacts are arranged, both on the main radiation exit surface 11th
  • the semiconductor layer sequence 1 can also be part of a semiconductor chip which has plated-through holes 9 and is arranged on a carrier 21.
  • the contacts extend over a p-doped
  • FIGS. 2A to 2E show a method for producing an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component 100 is combined, ie a plurality of optoelectronic components 100,
  • FIG. 2A shows the provision of a subcarrier 10.
  • the subcarrier has, for example, a metal plate which is laminated to a double-sided adhesive film. On the double-sided adhesive film, the
  • the subcarrier 10 may, for example, a
  • Silicon wafer or generally a wafer Silicon wafer or generally a wafer.
  • the semiconductor layer sequence 1 can be applied epitaxially to the auxiliary carrier 10.
  • the application can be made over the entire surface.
  • the conversion element 2 can be applied over the whole area to the semiconductor layer sequence 1.
  • the subcarrier 10 can be removed again.
  • Semiconductor layer sequence 1 and the conversion element 2 may be the materials described hereinabove
  • FIG. 2E shows the top view of a composite of FIG
  • Embodiment 1 Water glass as matrix material
  • Water can be diluted.
  • the mass ratio of solid to liquid components is between 1 to 2 and 1
  • Wafer segment is coated directly with the suspension, for example by doctor blade method.
  • wet layer thickness is between 15 ym and 150 ym, more preferably between 20 ym and 100 ym, preferably between 25 ym and 90 ym.
  • the layers are then dried and cured at 150 ° C for 2 h. In this case arises
  • LiWG Lithium water glass solution
  • Garnet powder (YAG: Ce) becomes a suspension
  • the mass ratio of the two waterglass solutions is between 1 to 99% by weight LiWG and 99 to 1% by weight KWG, better between 10 to 90% by weight LiWG and 90 to 10% by weight KWG, in particular between 25 to 75% by weight LiWG and 75 to 25% by weight % KWG, ideally between 40 - 60 wt% LiWG and 60 - 40 wt% KWG.
  • the mass ratio of solid to liquid components is in a similar range as in the embodiment
  • Embodiment 1 Embodiment 1
  • Embodiment 3 Water glass as a matrix material
  • Embodiment 3 corresponds to Embodiment 1, but a warm white phosphor mixture (for
  • Embodiment 4 Mixed water glass as matrix material
  • Embodiment 4 corresponds to Embodiment 2, but a warm white phosphor mixture (for
  • Embodiment 5 Water glass as matrix material
  • the embodiment 5 corresponds to the embodiment 1, but a neutral white phosphor mixture (for example, YAG: Ce, LuAG: Ce and CaAlSiN: Eu) was used.
  • a neutral white phosphor mixture for example, YAG: Ce, LuAG: Ce and CaAlSiN: Eu
  • the water glass can also be cured at higher temperatures if the substrate (semiconductor) or the embedded phosphor is not damaged thereby.
  • Exemplary Embodiment 6 Aluminum Phosphate as Matrix Material From a modified monoaluminum phosphate solution and a garnet phosphor powder (LuAG: Ce), a suspension is prepared which can optionally be diluted with water.
  • the mass ratio of solid to liquid components ranges from 1 to 2 and 1 to 0.3.
  • Radiation exit surface of a flip-chip wafer segment is coated directly with the suspension, for example by doctor blade method.
  • the wet layer thickness is in this case between 15 ym and 150 ym, more preferably between 20 ym and 100 ym, preferably between 25 ym and 90 ym.
  • the layers are then dried and cured at 300 ° C or 350 ° C for 2 hours.
  • the wafer segment can also be

Landscapes

  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) in Betrieb Strahlung emittiert, ein Konversionselement (2), das der Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) direkt nachgeordnet ist, wobei das Konversionselement (2) substratfrei ist und eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste Schicht (22) zumindest ein Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einem Matrixmaterial (221) eingebettet ist, wobei das Matrixmaterial (221) zumindest ein kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, Metalloxid, Metallsilikate, Metallsulphate, Wolframate, wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht aufweist.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
Optoelektronische Bauelemente, wie beispielsweise
Leuchtdioden (LEDs) , weisen in der Regel ein
Konversionselement auf, um die von einer
Halbleiterschichtenfolge des Bauelements emittierte Strahlung vorzugsweise aus dem blauen Spektralbereich in weißes
Mischlicht zu verwandeln. Diese Konverterelemente weisen typisch Silikon- und mindestens ein Konversionsmaterial auf. Das Silikon wird als Matrixmaterial verwendet. Silikon zeigt allerdings den Nachteil, dass es bei Einstrahlung der
Strahlung aus dem blauen Spektralbereich vergilben kann.
Zudem weist es geringe thermische mechanische Eigenschaften auf, die zur Degradation des Matrixmaterials führen können. Das Silikon als Matrixmaterial ist daher der limitierende Faktor für den Betrieb eines optoelektronsichen Bauelements, insbesondere für dessen Lebensdauer.
Andere anorganische Konverter, wie zum Beispiel ein
Keramikkonverter oder ein Leuchtstoff-in-Glas-Konverter, werden in der Regel mittels eines Klebers auf der
Halbleiterschichtenfolge befestigt. Vorzugsweise wird Silikon als Kleber verwendet, das aber auch in dieser Funktion die beschriebenen lebensdauerbegrenzenden Nachteile aufweist. Die geringe thermische Leitfähigkeit und hohe Permeabilität des Silikons begrenzen ferner die Betriebsparameter eines optoelektronischen Bauelements. Die Haftung von Silikon auf den verschiedenen zu verbindenden Materialien kann schlecht sein und so zur Delamination des Konverterelements während der Herstellung führen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein verbessertes
optoelektronisches Bauelement anzugeben. Insbesondere soll das optoelektronische Bauelement stabil gegenüber hohen
Temperaturen, Feuchtigkeit und Strahlung sein. Das
optoelektronisches Bauelement soll bei höheren Leistungen betreibbar sein und in einer ähnlichen Farbortvielfalt und einem hohen Farbwiedergabeindex (CRI) wie mit einer
Silikonmatrix herstellbar sein. Ferner ist Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserten Eigenschaften herstellt . Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltung und/oder Weiterbildung der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Bauelements gemäß dem Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 18.
In zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich ist zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsfläche dazu eingerichtet, in Betrieb Strahlung zu emittieren. Das Bauelement weist ein Konversionselement auf, das die emittierte Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt. Das Konversionselement ist direkt und insbesondere ohne
zusätzliche Kleberschicht auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet, also der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche direkt nachgeordnet. Das
Konversionselement ist substratfrei. Das Konversionselement weist eine erste Schicht auf. Die erste Schicht weist ein Konversionsmaterial auf, das in einem Matrixmaterial
eingebettet ist. Das Matrixmaterial weist zumindest ein kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material auf. Das Sol-Gel Material ist aus folgender Gruppe ausgewählt: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, Metalloxid, Metallsilikate,
Metallsulphate, Wolframate. Insbesondere ist das Sol-Gel- Material: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat und/oder
Monoaluminiumphosphat. Das kondensierte Sol-Gel Material weist einen Anteil zwischen 10 Vol% und 70 Vol% in der ersten Schicht auf. Der Anteil des kondensierten Sol-Gel Materials ist auf das Gesamtvolumen aus Sol-Gel-Material und
Konversionsmaterial und gegebenenfalls Härter, Füller, oder andere feste Zusätze, aber ohne gegebenenfalls entstehende Poren, bezogen. Sol-Gel-Materialien werden hier und im Folgenden als
diejenigen Materialien bezeichnet, die mittels eines Sol-Gel- Prozesses hergestellt sind. Der Sol-Gel-Prozess ist ein
Verfahren zur Herstellung von anorganischen oder hybridpolymeren Materialien aus Kolloidaldispersionen, den so genannten Solen. Die Ausgangsmaterialien werden auch als Precursormaterialien bezeichnet. Aus ihnen entstehen in
Lösung in einer ersten Grundreaktion feinste Teilchen. Durch die spezielle Weiterverarbeitung der Sole lassen sich Pulver, Fasern, Schichten oder Aerogele erzeugen. Dabei ist der wesentliche Grundprozess des Sol-Gel-Prozesses die Hydrolyse der Precursormaterialien und die Kondensation zwischen den dabei entstehenden reaktiven Spezies. Der Sol-Gel-Prozess ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Als Sol-Gel Material ist im Prinzip jedes Metalloxid denkbar, bevorzugt jedoch Zink-, Zinn-, Aluminium-, Titan-, Hafnium-, Zirkonium-, Gallium-, Yttrium- und/oder Siliziumoxid denkbar, das über den Sol-Gel-Prozess hergestellt werden kann. Am bekannntesten ist die Erzeugung von Siliziumdioxid
beispielsweise als Schicht über den Sol-Gel-Prozess. Das Sol kann in einem Lösungsmittel, wie Wasser, einem primären oder sekundären Alkohol, wie Ethanol oder Isopropanol, oder anderen polaren organischen Lösungsmitteln eingebettet sein. Es kann auch eine Mischung der hier beschriebenen Sol-Gel Materialien verwendet werden. Vorzugsweise wird das Sol-Gel Material bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 350 °C, insbesondere kleiner oder gleich 300 °C oder vorzugsweise kleiner oder gleich 150 °C ausgeheizt, um zum Beispiel die Halbleiterschichtenfolge bei der Aushärtung des Sol-Gel
Materials thermisch nicht zu schädigen. Beispielsweise können anorganische Sol-Gel Materialien wie bestimmte Aluminiumphosphate, modifiziertes
Monoaluminiumphosphat (MALP) oder Monoaluminiumphosphat bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 350 °C, insbesondere kleiner 350 °C, vorzugsweise kleiner oder gleich 300 °C oder Kalium-Wasserglas (KWG) bei kleiner oder gleich 350 °C, insbesondere kleiner oder gleich 300 °C, insbesondere kleiner oder gleich 150 °C oder vorzugsweise kleiner 150 °C
ausgehärtet werden. Natrium- (NaWG) oder Lithium-Wasserglas (LiWG) oder eine Mischung aus mehreren Wassergläsern können ebenfalls bei diesen Temperaturen ausgehärtet werden. Um eine gute chemische Resistenz, wie eine gute Feuchtestabilität bei Temperaturen von beispielsweise 85 °C, 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit und 1000 Stunden zu erreichen, sollten diese oben beschriebenen Materialien bei derartigen Temperaturen ausgehärtet werden. Optional können den Matrixmaterialien, insbesondere den Wassergläsern, auch chemische Härter
zugesetzt sein, um die Feuchtestabilität zu erhöhen.
Die Erfinder haben erkannt, dass gerade die Verwendung des oben beschriebenen Konversionselements mit dem anorganischen Matrixmaterial, das aus einem anorganischen Sol-Gel
hergestellt wurde, zu Bauelementen mit vorteilhaften
Eigenschaften führt. Eine Matrix aus organikhaltigen Sol-
Gelen ist zwar auch denkbar, jedoch nicht bevorzugt, da diese normalerweise höhere Härtungstemperaturen benötigen, in der Regel >400 °C, um vollständig abzureagieren und dadurch chemisch stabil zu werden. Da bei diesen Temperaturen
beispielsweise die Halbleiterschichtenfolge thermisch schon geschädigt werden kann, wird das Sol-Gel vorzugsweise bei niedrigeren Härtungstemperaturen gehärtet, jedoch sind die Matrizen aus organikhaltigen Sol-Gelen dann chemisch nicht stabil genug.
Ein besonderer Vorteil der anorganischen Matrix ist, dass die Bauelemente in einem Verbund auf einem Epitaxiesubstrat (Wafer) erzeugt und anschließend vereinzelt werden können. Dies ist dadurch gegeben, dass die Konversionsschicht zum Einen direkt auf dem Wafer appliziert und gehärtet werden kann und zum Anderen, dass durch die anorganische Matrix ein Vereinzeln durch beispielsweise Sägen mit guter
Schnittkantenqualität möglich ist. Letzteres ist mit Silikon nicht möglich, da dieses zu weich ist, wodurch sich für die anorganische Matrix der weitere Vorteil eines
kostengünstigeren Herstellprozesses ergibt. Bisher sind zudem nur anorganische Konverter, wie
Keramikkonverter oder substrathaltige anorganische
Konverterelemente bekannt. Diese herkömmlichen
Konversionselemente werden während der Herstellung einzeln auf die jeweilige Halbleiterschichtenfolge des Bauelements mittels eines Klebers aufgebracht. Als Kleber ist
beispielsweise Silikon notwendig, was zu den oben
beschriebenen Nachteilen führt. Die Erfinder sind der
Auffassung, dass gegenwärtig keine Bauelemente bekannt sind, die ausschließlich aus anorganischen Materialien bestehen und damit eine gute thermomechanische Stabilität aufweisen.
Gleichzeitig kann das Bauelement kostengünstiger auf
Waferlevel hergestellt werden und es kann bei höheren
Leistungen betrieben werden verglichen mit einem Bauelement mit Silikonmatrix, wobei eine ähnliche Farbortvielfalt und ein hoher Farbwiedergabeindex (CRI) wie mit einer
Silikonmatrix möglich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche ohne einen Kleber direkt angeordnet. Mit anderen Worten haftet das Konversionselement ohne einen Kleber auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement frei von einem organischen Material.
Vorzugsweise ist das optoelektronische Bauelement frei von einem organischen Material zumindest in Abstrahlrichtung, d.h. es befindet sich kein organisches Material über der Hauptstrahlungsaustrittsflache . Es kann allerdings
organisches Material als Gehäusematerial und/oder als
Vergussmaterial, beispielsweise gefüllt mit Ti02, um die Halbleiterschichtenfolge bzw. um die Kanten des
Konversionselements verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
optoelektronische Bauelement frei von einem organischen Kleber wie beispielsweise Silikon oder Epoxy.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterschichtenfolge Teil eines Flip Chips. Flip Chip meint hier, dass das Bauelement unmittelbar auf einem Träger oder der Leiterplatte bondiert wird. Dies ist dem Fachmann beispielsweise aus der DE 10 2015 101 143 AI bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Flip Chip einen Saphir-Träger auf. Alternativ ist der Flip Chip Teil eines Chip Scale Packages (CSP) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die
Halbleiterschichtenfolge bevorzugt auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamN oder um ein
Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamAs, wobei jeweils 0 ^ n 1, 0 ^ m 1 und n + m < 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge
Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen
Bestandteile des Kristallgitters der
Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine oder mehrere aktive Schichten. Die mindestens eine aktive Schicht ist zur
Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Beispielsweise beinhaltet die aktive Schicht wenigstens einen pn-Übergang oder mindestens eine Quantentopfstruktur .
Insbesondere wird in der aktiven Schicht ultraviolette, sichtbare und/oder nahinfrarote Strahlung im Betrieb des Halbleiterbauteils erzeugt. Die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung weist eine Hauptwellenlänge auf. Die
Hauptwellenlänge, englisch Peak wavelength, ist diejenige
Wellenlänge, bei der im bestimmungsgemäßen Betrieb die größte Strahlungsintensität erzeugt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die
Halbleiterschichtenfolge auf Galliumnitrid und weist
zumindest eine n-dotierte Halbleiterschicht, zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht und eine aktive Schicht auf.
Vorzusweise erstreckt sich zumindest eine Durchkontaktierung zumindest bereichsweise über die n-dotierte
Halbleiterschicht, die p-dotierte Halbleiterschicht und die aktive Schicht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge eine anorganische Schicht auf. Die anorganische Schicht weist Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ITO (Indiumzinnoxid) oder Aluminiumoxid auf. Die anorganische Schicht bildet zumindest teilweise die
Hauptstrahlungsaustrittsflache .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein kondensiertes Monoaluminiumphosphat oder ein
kondensiertes modifiziertes Monoaluminiumphosphat oder ein kondensiertes Aluminiumphosphat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein kondensiertes Wasserglas. Als Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte, glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und/oder Lithiumsilikate oder ihre
wässrigen Lösungen bezeichnet. Damit unterscheidet sich
Wasserglas von einem herkömmlichen Glas insbesondere durch seine Eigenschaften, wie die Porosität.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial zumindest Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas,
Kaliumwasserglas oder eine Mischung daraus, wobei das
Konversionselement einen chemischen Härter aufweist. Durch Zugabe eines chemischen Härters und Aushärten des
Matrixmaterials, beispielsweise zwischen einer Temperatur von 150 bis 350 °C für Wasserglas, ist es möglich, ein
Konversionselement zu erzeugen, das sehr stabil gegen
Feuchtigkeit ist. Insbesondere zeigt dieses
Konversionselement eine hohe Stabilität bei 85 °C, 85 % relativer Luftfeuchtigkeit und 1000 Stunden für die
Testdauer, was mittels eines Feuchtetests bestimmt wurde. Durch Zugabe des Härters bildet sich neben ggf. entstehendem Alkalicarbonat ein weiteres Nebenprodukt. Im Falle eines Phosphathärters wäre dies ein Alkaliphosphat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei
Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifiziertem Monoaluminiumphosphat kein chemischer Härter zugesetzt.
Alternativ kann auch hier ein geeigneter chemischer Härter zugebeben werden. Das hier beschriebene Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifizierte Monoaluminiumphosphat besitzt vorzugsweise ein molares Verhältnis von AI zu P von 1:3 bis 1:1,5 und härtet insbesondere bei Temperaturen zwischen 300 °C und 350 °C. In den Lösungen können weitere Elemente oder Verbindungen enthalten sein, jedoch
vorzugsweise max . 1 Mol% an Alkali- und Halogenverbindungen.
Das für das Matrixmaterial eingesetzte Wasserglas kann zumindest aus Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas,
Kaliumwasserglas oder einer Mischung daraus bestehen oder diese Alkaliwassergläser aufweisen. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere eine Kombination von
Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas hervorragende
Eigenschaften für das Matrixmaterial aufweist. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und
Kaliumwasserglas zwischen 1:3 bis 3:1. Insbesondere ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas 1:3, 1:1 oder 3:1, vorzugsweise 1:1.
Die Alkaliwassergläser können beispielweise ein Modul von 1,5 bis 5 besitzen, vorzugsweise ein Modul von 2,5 bis 4,5. Der Begriff Modul ist dem Fachmann bekannt und bezeichnet das molare Verhältnis von S1O2 zu Alkalioxid.
Vorzugsweise wird bei Wasserglas, wie beispielsweise dem Kalium-Wasserglas, ein chemischer Härter zugesetzt.
Beispielsweise kann Aluminiumphosphat für Kalium-Wasserglas als chemischer Härter zugesetzt werden. Die chemische Härtung erfolgt durch einen Ionenaustausch, in diesem Fall
Kaliumionen durch Aluminiumionen. Das bedeutet, dass
Aluminiumionen in das silikatische Netzwerk eingebaut werden, wodurch sich die Feuchtebeständigkeit erhöht. Als
Nebenprodukt entsteht Kaliumphosphat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine Schichtdicke von 20 ym bis 70 ym für Teilkonversion oder 40 ym bis 150 ym für Vollkonversion auf. Insbesondere weist das Konversionselement eine maximale
Schichtdicke von 70 ym, besser maximal 60 ym, vorzugsweise maximal 50 ym oder maximal 45 ym oder maximal 40 ym oder maximal 35 ym oder maximal 30 ym oder maximal 25 ym oder maximal 20 ym bei Teilkonversion. Insbesondere weist das Konversionselement für Vollkonversion eine maximale
Schichtdicke von 150 ym, besser maximal 130 ym, vorzugsweise maximal 110 ym oder maximal 90 ym oder maximal 80 ym oder maximal 70 ym oder maximal 60 ym oder maximal 50 ym oder maximal 40 ym. Vollkonversion meint hier, dass die Strahlung der Halbleiterschichtenfolge gar nicht oder zu weniger als 5 % an der resultierenden Gesamtstrahlung beiträgt. Die
Strahlung der Halbleiterschichtenfolge kann alternativ teilweise absorbiert werden, sodass die aus dem
Konversionselement austretende Gesamtstrahlung sich aus der Strahlung der Halbleiterschichtenfolge und der konvertierten Strahlung zusammensetzt. Dies kann auch als Teilkonversion bezeichnet werden. Die Gesamtstrahlung kann weißes Mischlicht sein. Das Mischlicht kann beispielsweise warmweiß oder kaltweiß sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial aus folgender Gruppe ausgewählt: (Y, Gd, Tb, Lu) 3 (AI, Ga) 5O12 : Ce3+, (Sr, Ca) AI S 1N3 : Eu2+,
(Sr,Ba,Ca,Mg) 2 S i5N8:Eu2+, (Ca, Sr, Ba) 2 S 1 O4 : Eu2+, -SiA10 : Eu2+, ß-SiA10N:Eu2+, ( Sr, Ca) S : Eu2 , ( Sr, Ba, Ca) 2 ( Si , AI ) 5 (N, 0) 8 : Eu2+, (Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4Cl2:Eu2+, (Sr,Ba) Si2N202 : Eu2+ .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionsmaterial Quantenpunkte auf, wie beispielsweise CdSe, InP oder ZnSe. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine Schichtdicke von 1 ym bis 150 ym auf. Das Konversionsmaterial kann insbesondere Quantenpunkte umfassen oder daraus bestehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien in dem Matrixmaterial eingebettet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das
Bauelement im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 2500 K bis 4500 K. Zusätzlich kann der
Farbwiedergabeindex CRI zwischen 70 und 100 sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das
Bauelement im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 4500 K und 8000 K. Zusätzlich kann der
Farbwiedergabeindex CRI zwischen 70 und 100 sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das
Bauelement kein weißes Licht sondern beispielsweise türkises, grünes, gelbes, oranges, rotes oder tiefrotes Licht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 Vol% und 70 Vol% auf. Vorzugsweise weist das Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 20 Vol% und 40 Vol%, insbesondere wenn das
optoelektronische Bauelement warm-weißes Mischlicht
emittiert, auf. Der Anteil des Matrixmaterials in dem
Konversionselement beträgt beispielsweise max. 70 Vol%, besser max. 65 Vol%, vorzugsweise max. 60 Vol% oder max. 55 Vol% oder max. 50 Vol% oder max. 45 Vol% oder max. 40 Vol% oder max. 35 Vol% oder max. 30 Vol% oder max. 25 Vol% oder max. 20 Vol% oder max. 15 Vol% oder max. 10 Vol% oder max. 5 Vol%. Dies entspricht beispielsweise einem Gewichtsanteil von max. 60 Gew%, besser max. 55 Gew%, vorzugsweise max. 50 Gew% oder max. 45 Gew% oder max. 40 Gew% oder max. 35 Gew% oder max. 30 Gew% oder max. 25 Gew% oder max. 20 Gew% oder max. 15 Gew% oder max. 10 Gew% oder max. 5 Gew% an Matrixmaterial im Konversionselement. Beispielsweise liegt der Volumenanteil der Matrix zwischen 10 Vol% und 65 Vol% und der Masseanteil zwischen 5 Gew% und 40 Gew% . Das Konversionsmaterial weist beispielsweise in dem Konversionselement einen Anteil von mehr als 50 Gew%, besser mehr als 60 Gew%, vorzugsweise mehr als 65 Gew% oder mehr als 70 Gew% oder mehr als 75 Gew% oder mehr als 80 Gew% oder mehr als 85 Gew% oder mehr als 90 Gew% oder mehr als 95 Gew% auf. Das Konversionsmaterial kann einen Volumenanteil beispielsweise von mehr als 10 Vol% oder 20
Vol%, besser mehr als 30 Vol%, vorzugsweise mehr als 35 Vol% oder mehr als 40 Vol% oder mehr als 45 Vol% oder mehr als 50 Vol% oder mehr als 55 Vol% oder mehr als 60 Vol% oder mehr als 65 Vol% oder mehr als 70 Vol% oder mehr als 75 Vol% in dem Konversionselement aufweisen. Beispielsweise ist der Volumenanteil zwischen 40 Vol% und 85 Vol% und der
Masseanteil zwischen 60 Gew% und 90 Gew% . Dadurch kann ein Konversionselement bereitgestellt werden, das sehr dünn ausgeformt ist und eine hohe Konzentration des
Konversionsmaterials aufweist.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Vorzugsweise wird mit dem Verfahren das hier beschriebene optoelektronische Bauelement hergestellt. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen für das optoelektronische Bauelement auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf:
A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsflache in Betrieb Strahlung
emittiert,
B) Direktes Aufbringen eines Konversionselements auf die Hauptstrahlungsaustrittsflache, wobei das Matrixmaterial aus zumindest einer Lösung eines Sol-Gel Materials besteht, in der das mindestens eine Konversionsmaterial dispergiert ist,
C) Aushärten der unter Schritt B) erzeugten Anordnung, ggf. Modifikation oder Bearbeitung, beispielsweise Glättung, einer der Hauptstrahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden
Oberfläche,
D) Vereinzeln der unter Schritt C) erzeugten Anordnung zur Erzeugung des optoelektronischen Bauelements.
Durch den Schritt D kann eine scharfe Schnittkante an den einzelnen optoelektronischen Bauelementen erzeugt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen in Schritt B mittels einer der folgenden Methoden: Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen, Spin coating, Elektrophoretische Beschichtung (EPD) , Rakeln, Aufsprühen, Tauchbeschichtung . Optional kann vor oder nach dem Vereinzelnen noch eine oder mehrere weitere Beschichtungen auf die Oberfläche und/oder die Kanten der Konversionsschicht (ggf. auch auf die Kanten der Halbleiterschichtenfolge) , beispielsweise eine
Antireflexbeschichtung oder eine dichroitische Beschichtung oder eine Passivierungsschicht oder eine
Verkapselungsschicht , aufgebracht werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung eines hier beschriebenen Konversionselements in einem hier
beschriebenen anorganischen optoelektronischen Bauelement folgende vorteilhafte Eigenschaften erzeugt werden können:
Das Konversionselement, das vorzugsweise keine organischen Komponenten aufweist und direkt mit der Halbleiteroberfläche verbunden ist, ist stabil gegenüber die von der
Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung, insbesondere aus einem blauen Spektralbereich. Zudem weist das
Konversionselement eine hohe thermische Stabilität auf. Das Bauelement kann daher bei höheren Betriebsströmen betrieben werden. Eine höhere Helligkeit pro Halbleiterfläche, also eine höhere Leuchtdichte, ist beobachtbar, da das
Konversionselement eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Konversionselemente mit Silikonmatrix, wodurch eine höhere Stromdichte ermöglicht wird. Dadurch kann die Stokes- Wärme, die in dem Konversionsmaterial erzeugt wird, leichter abgeführt werden. Die Halbleiterschichtenfolge dient hier als sogenannte Wärmesenke. Es können demzufolge
temperatursensitive Konversionsmaterialien verwendet werden. Zudem erfolgt eine geringere Degradation, ein geringeres Temperaturquenchen, und eine Wellenlängenverschiebung wird vermieden, was sich positiv auf die Effizienz, Lebensdauer und/oder Farbortstabilität (bei Temperaturänderung) auswirkt. Das Konversionselement kann direkt auf die
Halbleiterschichtenfolge appliziert werden.
Die Halbleiterschichtenfolge kann auch Teil eines Wafer- Verbundes sein. Mit anderen Worten kann das
Konversionselement auch im Wafer-Maßstab, also in einem
Verbund von optoelektronischen Bauelementen, aufgebracht werden. Dies ist kostengünstiger als die Aufbringung jedes einzelnen Konversionselements auf jedes einzelne
optoelektronische Bauelement oder auf jede einzelne
Halbleiterschichtenfolge. Es können daher mehrere
Konversionselemente und optoelektronische Bauelemente
gleichzeitig hergestellt werden.
Die Verwendung eines Flip Chips zeigt den Vorteil, dass sich beide elektrischen Kontaktierungen auf der dem
Konversionselement gegenüberliegenden Seite der
Halbleiterschichtenfolge befinden und die Kontaktierung dort erfolgt. Daher muss das Konversionselement keine Bereiche aufweisen, an die beispielsweise eine Kontaktierung, wie ein Bondpad bzw. Bonddraht, angebracht werden muss.
Das Matrixmaterial zeigt eine sehr gute Adhäsionskraft und ist deutlich weniger elastisch als Silikon. Dies ermöglicht ein Schneiden des Verbundes mit guter Kantenqualität.
Ein organisches Matrixmaterial wird hier durch ein
anorganisches kondensiertes Sol-Gel Material ersetzt. In diesem anorganischen kondensierten Sol-Gel Material kann zumindest ein oder mehrere Konversionsmaterialien eingebettet sein. Als Konversionsmaterialien eignen sich herkömmliche Konversionsmaterialien wie Leuchtstoffe auf Basis von Oxiden oder Nitriden. Alternativ können auch Quantendots mit oder ohne organischen Liganden oder mit oder ohne anorganischer Beschichtung, wie beispielsweise aus Siliziumdioxid,
verwendet werden. Mit Quantendots sind auch deutlich
geringere Schichtdicken von beispielsweise kleiner 50 ym oder kleiner 40 ym oder kleiner 30 ym oder kleiner 25 ym oder kleiner 20 ym oder kleiner 15 ym oder kleiner 10 ym oder kleiner 5 ym oder kleiner 2 ym denkbar.
Konversionsmaterialien, wie organische fluoreszierende oder phosphoreszierende Materialien oder Perowskite oder polymere Perowskite, fluoreszierende Proteine, sind ebenfalls als Konversionsmaterial denkbar. Als Konversionsmaterialien können auch organische Farbstoffe verwendet werden.
Die Sol-Gel Lösung, Paste oder Suspension, die aus aus dem Sol-Gel und dem mindestens einen Konversionsmaterial besteht, kann direkt auf die Hauptstrahlungsaustrittsflache der
Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise eines Flip Chips, im Wafer-Level-Maßstab aufgebracht werden. Alternativ kann es auch auf einzelne Chips augebracht haben, die sich
beispielsweise bereits in einem Gehäuse (Package) befinden.
Das Sol-Gel Material weist eine geringe Viskosität auf und kann deshalb mit einem hohen Füllgrad an
Konversionsmaterialpartikeln gefüllt werden. Nach dem
Trocknen und Aushärten resultiert ein Konversionselement, das komplett anorganisch ist und eine hohe thermische
Leitfähigkeit aufweist verglichen mit Konversionsmaterialien in Silikon als Matrixmaterial. Durch den hohen Füllgrad kann das Konversionselement für den gleichen Konversionsgrad dünner ausgeformt werden als weniger gefüllte
Konversionselemente. Da das hier beschriebene
Konversionselement direkt appliziert werden kann, können die Schichten auch dünner ausgeformt werden als bei freistehenden Konversionselementen, die für das nachfolgende Handling wie beispielsweise zum Aufkleben auf die
Halbleiterschichtenoberfläche noch eine mechanische
Stabilität benötigen. Durch den hohen Füllgrad in Verbindung mit der geringen Schichtdicke und der guten
Wärmeleitfähigkeit der Matrix weist das Konversionselement eine sehr gute Wärmeableitung auf. Ein weiterer thermischer Vorteil ergibt sich aus der nicht benötigten Klebeschicht und damit einer guten Wärmeableitung zur
Halbleiterschichtenfolge. Eine Kleberschicht basiert häufig auf Klebematerialien wie Silikon die eine vergleichsweise geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, d.h. eine
thermische Barriere darstellen. Anorganische Matrixmaterialien weisen eine bessere Stabilität auf gegenüber die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung und gegenüber hohen Temperaturen sowie eine bessere Wärmeleitfähigkeit, verglichen mit organischen
Matrixmaterialien, wie Silikon. Daraus resultiert, dass die hier beschriebenen Konversionselemente bei höheren
Anregungsleistungen und höheren Temperaturen betrieben werden können. Wird Wasserglas, bestimmte Aluminiumphosphate,
Monoaluminiumphosphat oder modifiziertes
Monoaluminiumphosphat als Ausgangsmaterial für das
anorganische kondensierte Sol-Gel Material verwendet, kann ein komplett anorganisches Konversionselement bei niedrigen Herstellungstemperaturen erzeugt werden. Das
Konversionselement kann auch organische oder zum Teil organische Sol-Gel Materialien, wie beispielsweise Alkoxysilane, wie TMOS, TEOS, Alkoxyde oder Alkoxane,
aufweisen. Die Verwendung von organischen oder teilweise organisch funktionalisierten Sol-Gel Materialien ist möglich, aber nicht bevorzugt, weil eine vollständige Kondensation des Sol-Gel Materials bei tiefen Temperaturen nicht erfolgt und damit eine Gefahr in Bezug auf die Stabilität des Bauelements während der Lebensdauer erzeugt wird. Das Matrixmaterial, insbesondere das Sol-Gel Material, wird bei derartigen Temperaturen hergestellt, um die
Halbleiterschichtenfolge nicht zu schädigen oder um sensitive Konversionsmaterialien, wie beispielsweise nitridische
Leuchtstoffe, nicht zu schädigen oder zu zerstören. Wenn ein chemischer Härter dazugesetzt ist, kann bei Verwendung von
Wasserglas als Matrixmaterial eine gute Stabilität gegenüber Feuchtigkeit bei 85 °C, 85 Prozent relativer Feuchtigkeit über 1000 Stunden, bereits bei relativ niedrigen
Temperaturen, beispielsweise kleiner oder gleich 150 °C erzeugt werden. Nach der Herstellung des Bauelements bei niedrigen Temperaturen kann der Wafer vollständig aus
anorganischen Materialien bestehen und weist eine gute chemische Resistenz auf. Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche kann modifiziert werden, um die Auskopplung und die Adhäsion zwischen dem
Matrixmaterial, also dem Konversionselement und der
Halbleiterschichtenfolge zu erhöhen. Beispielsweise kann die Hauptstrahlungsaustrittsfläche mittels Plasma behandelt werden oder mit einer anorganischen Schicht, wie
Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ITO oder Aluminiumoxid oder einer Kombination mehrerer Schichten behandelt werden. Die Halbleiterschichtenfolge kann von Streupartikeln umgeben sein, die ebenfalls in einem Matrixmaterial eingebettet sind. Dabei kann die über die Seitenflächen der
Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung verringert werden. Als Streupartikel können beispielsweise Titandioxid- Partikel in einem Matrixmaterial verwendet werden. Als
Matrixmaterial kann das hier beschriebene Matrixmaterial oder auch ein organisches Matrixmaterial, wie Silikon, verwendet werden .
Das optoelektronische Bauelement kann Beschichtungen
aufweisen. Die Beschichtungen können beispielsweise eine Streuschicht umfassen. Damit kann die winkelabhängige
Abstrahlcharakteristik verbessert werden. Beispielsweise kann bei Teilkonversion die Mischung des von der
Halbleiterschichtenfolge emittierten blauen Lichts und des konvertierten Lichts besser erfolgen.
Dem Konversionselement kann eine Beschichtung oder eine
Verkapselung nachgeordnet sein. Dadurch kann die Stabilität gegen Feuchtigkeit erhöht werden. Die Schutzschicht kann auch nach einem Vereinzelungsprozess , beispielsweise durch Sägen, aufgebracht werden, um auch die Kanten des
Konversionselements zu schützen. Als Schutzschicht eignen sich beispielsweise aufgedampfte Schichten aus z.B. S1O2 und/oder AI2O3, insbesondere auch Schichten die mittels
Atomlagenabscheidung (ALD, atomic layer deposition)
aufgebracht werden, oder auch polymere oder hybridpolymere Schichten beispielsweise aus Ormocer, Polysilazan,
Polysiloxan, Silikon, und/oder Parylene.
Das optoelektronische Bauelement kann funktionale
Beschichtungen, wie Antireflexbeschichtung oder Filter, aufweisen. Dadurch können beispielsweise die Lichtauskopplung erhöht oder Refexionsverluste minimiert werden. Es können auch dielektrische Filter verwendet werden, die
wellenlängenselektiv reflektieren, beispielsweise bevorzugt einen Teil der blauen Primärstrahlung während die
Sekundärstrahlung kaum reflektiert wird, um einen homogeneren Farbort unter verschiedenen Winkeln zu erzeugen.
Die hier beschriebenen Beschichtungen können einzeln in dem optoelektronischen Bauelement oder auch in Kombination verwendet werden.
Das Konversionsmaterial kann einzeln oder als Mischung mit mehreren Konversionsmaterialien in dem Matrixmatrial
eingebettet sein. Damit kann der Farbort und der
Farbwiedergabeindex eingestellt werden. Durch Kombination eines grün emittierenden und rot emittierenden
Konversionsmaterial kann warm-weißes Mischlicht erzeugt werden . Das Konversionsmaterial kann als Partikel ausgeführt werden. Vorzugsweise weisen die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen 1 und 35 ym, insbesondere zwischen 2 und 20 ym, vorzugsweise zwischen 3 und 15 ym auf. Dadurch können sehr dünne Konversionselemente erzeugt werden und die
Wärmeabfuhr und die Effizienz verbessert werden. Bei
Verwendung von sehr kleinen Partikelgrößen, beispielsweise zwischen 0,5 ym und 5 ym oder im Falle von Quantendots von nur einigen Nanometern, können äußerst dünne Schichten erzeugt werden in denen sich das Licht seitlich kaum
ausbreitet. Damit kann beispielsweise bei Multi-Pixel-LEDs mit mehreren benachbarten Hauptstrahlungsaustrittsflächen ein Übersprechen von einem Pixel auf den anderen weitestgehend vermieden werden, d.h. wenn nur ein Pixel betrieben wird dann bleiben die Nachbarpixel relativ dunkel.
Das Konversionselement kann einen Dotierstoff oder Aktivator aufweisen. Die Aktivatorkonzentration kann zur Einstellung des gewünschten Farbortes dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann zumindest ein Konversionselement unterschiedliche Konversionsmaterialien mit unterschiedlichen Partikelgrößen aufweisen. Es können Konversionsmaterialien, die größere Partikel und kleinere Partikel aufweisen, zusammengemischt werden und damit eine möglichst dichte Packung und damit ein dünnes
Konversionselement erzeugt werden. Alternativ kann das
Konversionsmaterial auch einen Konzentrationsgradienten in dem Matrixmaterial aufweisen. Beispielsweise können größere Partikel nahe zur Hauptstrahlungsaustrittsflache angeordnet sein, während kleinere Partikel der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche gegenüber liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Streupartikel oder Füllstoffe auf. Die Streupartikel oder Füllstoffe können beispielsweise
Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zinkoxid, Zirkoniumdioxid, andere keramische als auch
glasartige Partikel, Metalloxide oder andere anorganische Partikel sein. Die Streupartikel oder die Füllstoffe können eine unterschiedliche Form aufweisen, beispielsweise
kugelförmig, stäbchenförmig oder scheibenförmig, wobei die Partikelgröße zwischen einigen Nanometer bis zu einigen zehn Mikrometer sein kann. Kleinere Partikel können genutzt werden, um die Viskosität der Suspension einzustellen.
Größere Partikel können zur Herstellung eines kompakten Konversionselements und/oder zur verbesserten Wärmeabführung, Feuchteresistenz, oder Dickenhomogenität beitragen. Die
Streuung kann verändert und/oder die mechanische Stabilität kann verbessert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Additive auf. Ein Additiv kann Aerosil oder Kieselerde, wie beispielsweise Sipernat, sein. Damit kann die Viskosität der Suspension modifiziert werden und der Anteil zwischen der flüssigen und der festen Komponente eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht mehrere Teilschichten auf. Mit anderen Worten kann die erste Schicht derart ausgeformt sein, dass die erste Schicht mehrere Konversionsmaterialien aufweist, die in
unterschiedlichen Teilschichten angeordnet sind. Die
Konversionsmaterialien können in gleiche oder
unterschiedliche Matrixmaterialien eingebettet sein. Die Teilschichten können sich in Dicke, Kompaktheit,
Matrixmaterial, Konversionsmaterial, Korndurchmesser, Streuer und/oder Füllstoffe unterscheiden.
Um ein kompaktes Konversionselement zu erzeugen, kann es von Vorteil sein, das Konversionselement in mehr als einem
Schritt zu erzeugen. Beispielsweise kann die erste Schicht mehrere Teilschichten aufweisen, die nacheinander erzeugt werden und damit eine geringere Schichtdicke aufweisen und kompakter hergestellt werden können als eine einzelne erste Schicht.
Das Trocknen und Aushärten kann zwischen den einzelnen
Herstellungsschritten des Aufbringens der Teilschichten erfolgen. Da das Konversionselement eine gewisse Porosität hat, können in alle Poren ein Material, beispielsweise ein Polymer, wie Silikon oder Polysilazan, oder generell ein Material, das eine geringe Lichtabsorption im
Wellenlängenbereich der Anregungswellenlänge oder des
konvertierten Lichts aufweist, eingebracht werden.
Das Sol-Gel Material kann eine verschiedene oder eine
unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen. Im Vergleich zum organischen Matrixmaterial kann das Sol-Gel Material keine organischen Anteile und keine flüchtigen organischen Moleküle nach dem Ausheizen aufweisen.
Dies bietet eine Menge Vorteile: Das ausgehärtete Sol-Gel Material kann ein glasartiges- oder polykristallines Oxid bilden, wenn das Lösungsmittel entfernt ist. Die
Oberflächenchemie von einer goldbeschichteten Fläche des Wafers, die Siliziumdioxid-passivierten lichtemittierenden Bereiche oder die Chemie von Sol-Gel Materialien können so eingestellt werden, dass in einer Sol-Gelflüssigen Phase eine gute Anhaftung des Konversionselements auf einer
siliziumdioxid-passivierten HauptStrahlungsaustrittsfläche erfolgt und dadurch eine geringe Anhaftung an den
elektrischen Kontakten aus Gold während der Herstellung, also vor dem Ausheizen erfolgt. Dies ist vorteilhaft, wenn nur bestimmte Bereiche beschichtet werden sollen.
Das Konversionselement kann ganzflächig auf die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgebracht werden,
anschließend können lithografische Strukturierungen erfolgen, indem ein Teilbereich des Konversionselements wieder entfernt wird, beispielsweise der für die elektrische Kontaktierung oder der für die Bauelementevereinzelung verwendet werden kann. Das Strukturieren kann nasschemisch, beispielsweise mit Säuren oder Laugen oder mittels Plasma, beispielsweise mit Chlor oder Fluor oder Alkali als reaktive Spezies erfolgen.
Das Konversionselement kann ganzflächig auf vorstrukturierte Wafer aufgebracht werden. Das Vorstrukturieren kann
beispielsweise dazu dienen, die Bondpads abzudecken. Das Vorstrukturieren kann beispielsweise lithografisch erfolgen. Nach dem Aufbringen und gegebenenfalls Aushärten des
Konversionselements kann die Strukturierung entfernt werden, so dass sich Bereiche auf dem Wafer ergeben auf denen kein Konversionselement aufgebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement derart auf die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgebracht, dass die
elektrischen Kontaktierungen und/oder die metallischen
Bereiche frei von dem Konversionselement sind. Dies kann durch sogenanntes Seif Assembling des Konversionselements erzeugt werden. Mit anderen Worten wird hier die Polarität, das heißt hydrophile und hydrophobe Bereiche der Materialien genutzt, um damit die Abscheidung des Konversionselements zu beeinflussen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche und/oder die elektrischen Kontaktierungen aus Materialien erzeugt, die eine
unterschiedliche Polarität aufweisen. Aufgrund der Polarität (je nach Hydrophilie oder Hydrophobie) der Materialien haftet das Matrixmaterial unterschiedlich an den jeweiligen
Bereichen. Die hydrophilen/hydrophoben Eigenschaften können durch Plasmaaktivierung eingestellt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das nasschemische Verhalten des Sols des Matrixmaterials modifiziert werden und somit sogenannte Seif Assambly Monolayers (SAM) erzeugt werden. Diese Materialien bestehen typischerweise aus bi- funktionalen Molekülen, die eine chemische reaktive
Ankergruppe haben. Diese chemisch reaktive Ankergruppe reagiert selektiv entweder mit der
Hauptstrahlungsaustrittsflache oder mit den elektrischen Kontaktierungen. Das bi-funktionale Molekül kann eine
Schwanzgruppe aufweisen, die eine zweite reaktive Gruppe aufweist, die sich an das Sol-Gel Material lagert.
Beispielsweise sind reaktive Gruppen R-SH, R-SeH, R-TeH, R- OH, R-COOH, R-NH2, wobei R Alkane oder Aromaten darstellen. Beispiele für die zweite reaktive Gruppe der Schwanzgruppe sind R-SiCl3, R-SiHxClY, R-Si(OH)3.
Die Hauptstrahlungsaustrittsflache kann Siliziumdioxid aufweisen. Die elektrische Kontaktierung kann aus Gold sein. Das Sol kann eine wässrige Lösung aus Kalium-Wasserglas sein. Die Assembly Monolayers können HS-C6H13 aufweisen. Die Thiol- Gruppe bindet dabei selektiv an die Goldoberfläche. Nach der Waschung kann die Schwanzgruppe, die Alkane aufweisen kann, eine Anhaftung des Sol-Gel Materials auf der Goldoberfläche erzeugen .
Das Sol-Gel Material kann mit ein oder mehreren Metallionen dotiert sein. Damit kann die elektrische Leitfähigkeit des Konversionselements verbessert werden. Ferner kann dadurch eine bessere Stromaufweitung und/oder ein elektrischer
Kontakt auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche erzeugt werden. Als Halbleiterschichtenfolge kann InGaN verwendet werden . Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im
Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figuren 1A bis 1F jeweils eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform und
Figuren 2A bis 2E ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie z. B. Schichten, Bauteile, Bauelemente und
Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden. Die Figuren 1A bis IE zeigen jeweils ein optoelektronisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform.
Die Figur 1A zeigt eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich, der zumindest über einer
Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 im Betrieb Strahlung emittiert. Vorzugsweise emittiert die
Halbleiterschichtenfolge 1 Strahlung aus dem blauen
Spektralbereich. Die Halbleiterschichtenfolge 1 kann beispielsweise aus InAlGaN sein. Direkt auf der
Hauptstrahlungsaustrittsflache 11 ist das Konversionselement 2 angeordnet. Direkt meint hier, dass das Konversionselement 2 unmittelbar, das heißt ohne weitere Schichten oder
Elemente, wie beispielsweise eine Kleberschicht, auf der Hauptstrahlungsaustrittsflache angeordnet ist. Das
Konversionselement 2 ist substratfrei und weist eine erste Schicht 22 (hier nicht gezeigt) auf. Die erste Schicht 22, wie in Figur 1B gezeigt, weist ein Matrixmaterial 221 auf, in dem zumindest ein
Konversionsmaterial 222 eingebettet ist. Das Matrixmaterial 221 weist zumindest ein kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material auf oder besteht daraus. Das Sol-Gel Material kann beispielsweise Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifiziertes
Monoaluminiumphosphat sein. Das Sol-Gel Material weist einen Anteil zwischen 10 Vol% und 70 Vol% in der ersten Schicht 22 auf .
Alternativ kann das Konversionselement 2, wie in Figur IC gezeigt, auch mehr als ein Konversionsmaterial aufweisen. In der Ausführungsform der Figur IC sind zwei
Konversionsmaterialien 222, 224 in dem Matrixmaterial 221 eingebettet. Es können auch mehr als zwei
Konversionsmaterialien, beispielsweise drei, vier oder fünf Konversionsmaterialien in dem Matrixmaterial 221 eingebettet sein . Alternativ kann die erste Schicht 22 auch aus mehreren
Teilschichten, hier in Figur 1D am Beispiel von zwei
Teilschichten 4 und 5 dargestellt, aufweisen. Die Teilschicht 4 weist ein Matrixmaterial 221 und das Konversionsmaterial 222 auf. Als Konversionsmaterial 222 können herkömmliche Konversionsmaterialien verwendet werden. Die Teilschicht 5 weist das Matrixmaterial 223 und das Konversionsmaterial 224 auf. Die Konversionsmaterialien 222, 224 sind jeweils in dem Matrixmaterial eingebettet. Die Matrixmaterialien 221, 223 können gleich oder unterschiedlich sein. Die
Konversionsmaterialien 222, 224 können gleich oder
unterschiedlich sein. Die Figur IE zeigt ein optoelektronisches Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform, das als so genannter Flip-Chip ausgeformt ist. Der Flip-Chip weist eine
Halbleiterschichtenfolge 1 auf. Über der
Halbleiterschichtenfolge 1 ist das Konversionselement 2 angeordnet. Der Hauptstrahlungsaustrittsflache 11 gegenüber liegenden Seite sind Kontaktierungen 9 angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 1 dienen. In dem Fall sind zwei Kontaktierungen angeordnet, die beide auf der der Hauptstrahlungsaustrittsflache 11
abgewandten Seite angeordnet sind.
Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge 1 auch Teil eines Halbleiterchips sein, der Durchkontaktierungen 9 aufweist und auf einem Träger 21 angeordnet ist. Insbesondere erstrecken sich die Kontaktierungen über eine p-dotierte
Halbleiterschicht 114, n-dotierte Halbleiterschicht 113 und der aktiven Schicht 112 (Figur 1F) .
Die Figuren 2A bis 2E zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Insbesondere wird das optoelektronische Bauelement 100 in einem Verbund, also eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen 100,
hergestellt . Die Figur 2A zeigt die Bereitstellung eines Hilfsträgers 10. Der Hilfsträger weist beispielsweise eine Metallplatte auf, die auf eine doppelseitig klebende Folie laminiert ist. Auf der doppelseitig klebenden Folie kann die
Halbleiterschichtenfolge 1 oder Halbleiterchips fixiert werden. Der Hilfsträger 10 kann beispielsweise ein
Siliziumwafer oder allgemein ein Wafer sein.
Auf den Hilfsträger 10 kann, wie in Figur 2B gezeigt, die Halbleiterschichtenfolge 1 epitaktisch aufgebracht werden. Die Aufbringung kann ganzflächig erfolgen.
Nach der Aufbringung der Halbleiterschichtenfolge 1 kann, wie in Figur 2C gezeigt, das Konversionselement 2 ganzflächig auf die Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht werden.
Anschließend kann der Hilfsträger 10 wieder entfernt werden.
In Figur 2D ist die Vereinzelung 110 gezeigt, so dass eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen 100 gleichzeitig erzeugt werden. Die Materialien für die
Halbleiterschichtenfolge 1 und das Konversionselement 2 können die hier vorstehend beschriebenen Materialien
aufweisen .
Die Figur 2E zeigt die Draufsicht eines Verbunds von
optoelektronischen Bauelementen 100, die matrixförmig
angeordnet sind. Ausführungsbeispiel 1: Wasserglas als Matrixmaterial
Aus einer Kaliumwasserglaslösung, Aluminiumphosphatpulver als chemischen Härter und einem Granatleuchtstoffpulver (YAG:Ce) wird eine Suspension hergestellt, die optional noch mit
Wasser verdünnt werden kann. Das Massenverhältnis von Fest- zu Flüssigkomponenten bewegt sich zwischen 1 zu 2 und 1 zu
0.3. Die Strahlungsaustrittsfläche eines Flip-Chip
Wafersegments wird direkt mit der Suspension beschichtet, beispielsweise mittels Doctor-Blade-Verfahren . Die
Nassschichtdicke liegt hierbei zwischen 15 ym und 150 ym, besser zwischen 20 ym und 100 ym, bevorzugt zwischen 25 ym und 90 ym. Im Anschluss werden die Schichten getrocknet und bei 150 °C für 2h gehärtet. In diesem Fall entsteht
Kaliumphosphat als Nebenprodukt. Alternativ zum Wafersegment kann auch ein kompletter Wafer, beispielsweise 4 oder 6 Zoll, beschichtet werden. Ausführungsbeispiel 2: Mischwasserglas als Matrixmaterial
Aus einer Kaliumwasserglaslösung (KWG) , einer
Lithiumwasserglaslösung (LiWG) und einem
Granatleuchtstoffpulver (YAG:Ce) wird eine Suspension
hergestellt, die optional noch mit Wasser verdünnt werden kann. Das Massenverhältnis der beiden Wasserglaslösungen liegt zwischen 1 bis 99 Gew% LiWG und 99 bis 1 Gew% KWG, besser zwischen 10 bis 90 Gew% LiWG und 90 bis 10 Gew% KWG, insbesondere zwischen 25 bis 75 Gew% LiWG und 75 bis 25 Gew% KWG, idealerweise zwischen 40 - 60 Gew% LiWG und 60 - 40 Gew% KWG. Das Massenverhältnis von Fest- zu Flüssigkomponenten liegt in einem ähnlichen Bereich wie im Ausführungsbeispiel
1. Die Herstellung, d.h. die Beschichtung und
Temperaturbehandlung ist ebenfalls vergleichbar mit dem
Ausführungsbeispiel 1. Ausführungsbeispiel 3: Wasserglas als Matrixmaterial
Das Ausführungsbeispiel 3 entspricht dem Ausführungsbeispiel 1, jedoch wurde eine warmweiße Leuchtstoffmischung (zum
Beispiel LuAG:Ce and CaAlSiN:Eu) eingesetzt.
Ausführungsbeispiel 4: Mischwasserglas als Matrixmaterial
Das Ausführungsbeispiel 4 entspricht dem Ausführungsbeispiel 2, jedoch wurde eine warmweiße Leuchtstoffmischung (zum
Beispiel YAG:Ce and CaAlSiN:Eu) eingesetzt.
Ausführungsbeispiel 5: Wasserglas als Matrixmaterial Das Ausführungsbeispiel 5 entspricht dem Ausführungsbeispiel 1, jedoch wurde eine neutralweiße Leuchtstoffmischung (zum Beispiel YAG : Ce , LuAG : Ce and CaAlSiN:Eu) eingesetzt.
Das Wasserglas kann auch bei höheren Temperaturen gehärtet werden, wenn das Substrat (Halbleiter) oder der eingebettete Leuchtstoff dadurch nicht geschädigt werden.
Ausführungsbeispiel 6: Aluminiumphosphat als Matrixmaterial Aus einer modifizierten Monoaluminiumphosphatlösung und einem Granatleuchtstoffpulver (LuAG:Ce) wird eine Suspension hergestellt, die optional noch mit Wasser verdünnt werden kann .
Das Massenverhältnis von Fest- zu Flüssigkomponenten bewegt sich zwischen 1 zu 2 und 1 zu 0,3. Die
Strahlungsaustrittsfläche eines Flip-Chip Wafersegments wird direkt mit der Suspension beschichtet, beispielsweise mittels Doctor-Blade-Verfahren . Die Nassschichtdicke liegt hierbei zwischen 15 ym und 150 ym, besser zwischen 20 ym und 100 ym, bevorzugt zwischen 25 ym und 90 ym. Im Anschluss werden die Schichten getrocknet und bei 300 °C oder 350 °C für 2h gehärtet. Alternativ zum Wafersegment kann auch ein
kompletter Wafer, beispielsweise 4 oder 6 Zoll, beschichtet werden oder ein anderer Chiptyp beschichtet werden.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 104 127.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugs zeichenliste
100 optoelektronisches Bauelement
1 Halbleiterschichtenfolge
11 Hauptstrahlungsaustrittstlache
2 Konversionselement
21 Träger
22 erste Schicht
221 Matrixmaterial
222 Konversionsmaterial
223 Matrixmaterial
224 Konversionsmaterial
4 Teilschicht der ersten Schicht
5 Teilschicht der ersten Schicht
6 Verguss
7 Gehäuse
8 Oberfläche der ersten Schicht
9 Kontaktierungen oder Durchkontaktierungen
10 Hilfsträger
112 aktive Schicht
114 p-dotierte Halbleiterschicht
113 n-dotierte Halbleiterschicht
110 Vereinzeln

Claims

Optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend
- eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven
Bereich, der zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) in Betrieb Strahlung emittiert,
- ein Konversionselement (2), das der
Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) direkt nachgeordnet ist,
- wobei das Konversionselement (2) substratfrei ist und eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste
Schicht (22) zumindest ein Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einem Matrixmaterial (221) eingebettet ist,
- wobei das Matrixmaterial (221) zumindest ein
kondensiertes anorganisches Sol-Gel Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, modifiziertes
Monoaluminiumphosphat , Monoaluminiumphosphat ,
Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat ,
Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan,
Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, Metalloxid, Metallsilikate,
Metallsulphate, Wolframate,
- wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht aufweist.
2. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei das Konversionselement (2) auf der
Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) ohne einen Kleber haftet
3. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
das frei von einem organischen Material ist.
4. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) Teil eines Flip Chips ist .
5. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Flip Chip einen Saphirträger aufweist oder Teil eines Chip Scale Packages (CSP) ist.
6. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) eine anorganische Schicht aus Si02, Siliziumnitrid, ITO oder Aluminiumoxid aufweist, wobei die anorganische Schicht zumindest teilweise die Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) bildet.
7. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Matrixmaterial (221) kondensiertes
Monoaluminiumphosphat, kondensiertes modifiziertes
Monoaluminiumphosphat oder kondensiertes Aluminiumphosphat ist .
8. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6,
wobei das Matrixmaterial (221) kondensiertes Wasserglas ist.
9. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 und 8,
wobei das Matrixmaterial (221) zumindest Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder eine Mischung daraus aufweist, wobei das Konversionselement (2) einen chemischen Härter aufweist.
10. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionselement (2) eine Schichtdicke von 20 ym bis 70 ym für Teilkonversion und 40 ym bis 150 ym für
Vollkonversion aufweist.
11. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9,
wobei das Konversionselement (2) eine Schichtdicke von 1 ym bis 150 ym aufweist und das Konversionsmaterial Quantenpunkte aufweist .
12. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das zumindest eine Konversionsmaterial (222) aus folgender Gruppe ausgewählt ist:
(Y, Gd, Tb, Lu) 3 (AI, Ga) 5O12 : Ce3+, (Sr, Ca) AIS1N3 : Eu2+,
(Sr,Ba,Ca,Mg)2Si5N8:Eu2+, (Ca, Sr, Ba) 2S1O4 : Eu2+, -SiA10 : Eu2+, ß-SiA10N:Eu2+, ( Sr, Ca) S : Eu2 , ( Sr, Ba, Ca) 2 ( Si , AI ) 5 (N, 0) 8 : Eu2+, (Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4CI2 :Eu2+, ( Sr, Ba) Si2N202 : Eu2+ ' , CdSe, InP, ZnSe.
13. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien (222, 224) in dem Matrixmaterial (221) eingebettet sind.
14. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
das im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 2500K bis 4500K emittiert.
15. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13,
das im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 4500K bis 8000K emittiert.
16. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 20 und 50 Vol% aufweist.
17. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16 mit den Schritten:
A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsflache in Betrieb Strahlung
emittiert,
B) Direktes Aufbringen eines Konversionselements (2) auf die Hauptstrahlungsaustrittsflache, wobei das Matrixmaterial (221) aus zumindest einer Lösung eines Sol-Gel Materials besteht, in der das Konversionsmaterial (222) dispergiert ist,
C) Aushärten der unter Schritt B) erzeugten Anordnung, ggf. Glättung einer der Hauptstrahlungsaustrittsfläche
gegenüberliegenden Oberfläche (8) des Konversionselements (2) ,
D) Vereinzeln (110) der unter Schritt C) erzeugten Anordnung zur Erzeugung des optoelektronischen Bauelements (100).
18. Verfahren nach Anspruch 17,
wobei das Aufbringen im Schritt B) mittels einer der
folgender Methoden erfolgt: Siebdruck, Dispensen, Spin coating, Elektrophoretische Beschichtung, Rakeln, Aufsprühen, Tauchbeschichtung .
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