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DE102017101729A1 - Strahlungsemittierende Vorrichtung - Google Patents

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DE102017101729A1
DE102017101729A1 DE102017101729.1A DE102017101729A DE102017101729A1 DE 102017101729 A1 DE102017101729 A1 DE 102017101729A1 DE 102017101729 A DE102017101729 A DE 102017101729A DE 102017101729 A1 DE102017101729 A1 DE 102017101729A1
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radiation
layer
emitting device
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semiconductor layer
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DE102017101729.1A
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Britta Göötz
Norwin Von Malm
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Es wird eine strahlungsemittierende Vorrichtung angegeben, die eine Halbleiterschichtenfolge (10) mit einer aktiven Schicht (20), die im Betrieb eine Primärstrahlung emittiert, umfasst. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Auskoppelfläche (11) auf einer Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (10), eine Wellenlängenkonversionsschicht (30) auf der von der Auskoppelfläche (11) abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (10), die zumindest einen die Primärstrahlung in Sekundärstrahlung umwandelnden Konversionsstoff enthält, und eine Spiegelschicht (40) auf der von der Halbleiterschichtenfolge (10) abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionsschicht (30). Der zumindest eine Konversionsstoff ist elektrisch leitfähig und/oder in einem elektrisch leitfähigen Matrixmaterial eingebettet.

Description

  • Es wird eine strahlungsemittierende Vorrichtung angegeben.
  • Aufgabe zumindest einer Ausführungsform ist es, eine strahlungsemittierende Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine strahlungsemittierende Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren angegeben.
  • Es wird eine strahlungsemittierende Vorrichtung, die eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht umfasst, die im Betrieb eine Primärstrahlung emittiert, angegeben.
  • Bei der strahlungsemittierenden Vorrichtung kann es sich um einen Halbleiterchip, insbesondere um einen Leuchtdiodenchip, handeln. Unter „aktiver Schicht“ soll hier und im Folgenden eine Schicht der Halbleiterschichtenfolge, insbesondere einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, verstanden werden, die dazu geeignet und dafür vorgesehen ist, im Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen und zu emittieren.
  • Unter „Strahlung“, „elektromagnetische Strahlung“ und „Licht“ soll hier und im Folgenden elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer Wellenlänge bzw. einer spektralen Komponente in einem infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich verstanden werden. Die Primärstrahlung kann beispielsweise einen ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich, insbesondere einen blauen Wellenlängenbereich, aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die strahlungsemittierende Vorrichtung eine Auskoppelfläche, im Folgenden auch Strahlungsauskoppelfläche genannt, auf einer Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge auf. Die durch die aktive Schicht erzeugte Primärstrahlung kann mit zumindest einem Anteil von 50% in Richtung der Auskoppelfläche abgestrahlt werden, die auf der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die strahlungsemittierende Vorrichtung eine Wellenlängenkonversionsschicht auf der von der Auskoppelfläche abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge, die zumindest einen die Primärstrahlung in Sekundärstrahlung umwandelnden Konversionsstoff enthält. Die Sekundärstrahlung kann beispielsweise einen grünen bis roten Wellenlängenbereich, aufweisen. In der Wellenlängenkonversionsschicht können auch mehrere Konversionsstoffe vorhanden sein, von denen einige beispielsweise Sekundärstrahlung im grünen Wellenlängenbereich und andere Sekundärstrahlung im roten Wellenlängenbereich erzeugen. Die Wellenlängenkonversionsschicht kann planparallel ausgeformt sein.
  • Aufgrund der unterschiedlichen optischen Dichten der Halbleiterschichtenfolge und der Umgebungsluft an der Strahlungsauskoppelfläche kann ein Großteil der Primärstrahlung an der Auskoppelfläche in die strahlungsemittierende Vorrichtung zurückreflektiert werden, sodass bis zu 90% der Primärstrahlung durch den zumindest einen Konversionsstoff in der Wellenlängenkonversionsschicht in eine Sekundärstrahlung konvertiert werden kann.
  • Die Wellenlängenkonversionsschicht vergrößert dabei die Vorrichtung, beispielsweise den Halbleiterchip bzw. das Package nicht beziehungsweise kaum. Damit können auch CSP (Chip-Size Package)-Bauteile ermöglicht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die strahlungsemittierende Vorrichtung eine Spiegelschicht auf der von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionsschicht. Die durch den Konversionsstoff erzeugte Sekundärstrahlung kann an der Spiegelschicht reflektiert und ebenfalls durch die Auskoppelfläche der strahlungsemittierenden Vorrichtung ausgekoppelt werden. Demnach wird an der Auskoppelfläche der Halbleiterschichtenfolge ein Mischlicht aus nicht konvertierter Primär- und konvertierter Sekundärstrahlung abgestrahlt. Dadurch kann es möglich sein, dass die strahlungsemittierende Vorrichtung weißfarbiges Mischlicht abstrahlt.
  • Der Ausdruck „auf“ in Bezug auf die Schichtenfolge in der strahlungsemittierenden Vorrichtung bedeutet hier und im Folgenden, dass sich beispielsweise die Auskoppelfläche in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge befinden kann oder dass zusätzlich noch weitere Schichten zwischen der Auskoppelfläche und der Halbleiterschichtenfolge vorhanden sein können. „Direkter Kontakt“ kann dabei hier und im Folgenden zum einen eine mechanische, aber auch eine elektrische Kontaktierung bedeuten. Eine elektrische Kontaktierung kann auch über einen indirekten mechanischen Kontakt erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Konversionsstoff elektrisch leitfähig und/oder in einem elektrisch leitfähigen Matrixmaterial eingebettet. Darunter ist zu verstehen, dass die Wellenlängenkonversionsschicht entweder einen elektrisch leitfähigen Konversionsstoff enthält oder einen elektrisch leitfähigen Konversionsstoff, der in einem nicht elektrisch leitfähigen Matrixmaterial eingebettet ist, einen elektrisch leitfähigen Konversionsstoff, der in einem elektrisch leitfähigen Matrixmaterial eingebettet ist, oder einen nicht elektrisch leitfähigen Konversionsstoff, der in einem elektrisch leitfähigen Matrixmaterial eingebettet ist. In jedem Fall wird dadurch die Stromzuführung für den Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung erhalten. Auf zusätzliche Stromaufweitungs- bzw. -verteilungsschichten kann damit zudem verzichtet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine strahlungsemittierende Vorrichtung angegeben, die eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die im Betrieb eine Primärstrahlung emittiert, eine Auskoppelfläche auf einer Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge, eine Wellenlängenkonversionsschicht auf der von der Auskoppelfläche abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge, die zumindest einen die Primärstrahlung in Sekundärstrahlung umwandelnden Konversionsstoff enthält, und eine Spiegelschicht auf der von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionsschicht umfasst, wobei der zumindest eine Konversionsstoff elektrisch leitfähig ist und/oder in einem elektrisch leitfähigen Matrixmaterial eingebettet ist.
  • Bei der hier beschriebenen strahlungsemittierenden Vorrichtung ist der Konversionsstoff in der Wellenlängenkonversionsschicht im Vergleich zu bekannten strahlungsemittierenden Vorrichtungen mit Wellenlängenkonversionsschichten nicht der Auskoppelfläche der strahlungsemittierenden Vorrichtung nachgeordnet. Vielmehr ist der Konversionsstoff in die Wellenlängenkonversionsschicht der strahlungsemittierenden Vorrichtung integriert, sodass die Auskoppelfläche frei von Konversionsstoff ist. Damit ist der Konversionsstoff chip-nah angeordnet und kann zudem auf Wafer-Level aufgebracht werden. Der Konversionsstoff wird somit im Chipprozess in diesen integriert. Damit ist die Konversion extrem nah an der Pumpquelle bzw. an der Wärmesenke und kann damit besser gekühlt werden als auf der Seite der Halbleiterschichtenfolge, auf der die Auskoppelfläche vorhanden ist. Somit können auch temperatursensitive Konversionsstoffe bei hohen Stromdichten eingesetzt werden.
  • Dadurch, dass die Wellenlängenkonversionsschicht entweder einen elektrisch leitfähigen Konversionsstoff und/oder ein elektrisch leitfähiges Matrixmaterial enthält, ermöglicht sie eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Die elektrisch leitfähige Wellenlängenkonversionsschicht kann in direktem oder indirektem elektrischen Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge stehen. Im Falle eines indirekten elektrischen Kontakts kann beispielsweise eine zusätzliche Stromaufweitungsschicht zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Wellenlängenkonversionsschicht vorhanden sein. Auf eine solche Schicht kann jedoch auch aufgrund der elektrisch leitfähigen Ausgestaltung der Wellenlängenkonversionsschicht verzichtet werden.
  • Die Wellenlängenkonversionsschicht kann die Injektion von Elektronen oder Löchern in die Halbleiterschichtenfolge auf der der Auskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht vermitteln. Durch einen weiteren elektrischen Kontakt, beispielsweise eine Elektrode, können entgegengesetzt geladene Ladungsträger, Löcher bzw. Elektronen, in die Halbleiterschichtenfolge auf der der Strahlungsauskoppelfläche zugewandten Seite der aktiven Schicht injiziert werden. Die von beiden Seiten der aktiven Schicht in die Halbleiterschichtenfolge injizierten Ladungsträger können in der aktiven Schicht unter Emission von Licht rekombinieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Matrixmaterial aus einer Gruppe ausgewählt, die dotierte und undotierte Metalloxide, dotierte und undotierte Metallhalogenide, elektrisch leitfähige Polymere, mit elektrisch leitfähigen Partikeln versetzte Polymere und mit elektrisch leitfähigen Salzen versetzte Polymere umfasst. Unter elektrisch leitfähigen Polymeren können hier und im Folgenden auf konjugierten Systemen basierende Polymere, beispielsweise Fluorene oder Spirofluorene, verstanden werden. Leitfähige Partikel, mit denen Polymere versetzt sind, können beispielsweise Silberpartikel sein. Dotierte oder undotierte Metalloxide können beispielsweise dotiertes oder undotiertes ITO (Indium-Zinn-Oxid) umfassen. Derartige Matrixmaterialien sind licht- und temperaturstabil sowie transparent. Weiterhin sind sie strukturierbar und können damit gut bearbeitet und auf Wafer-Ebene aufgebracht werden. Durch Verwendung einer elektrisch leitfähigen Matrix kann auf eine Stromaufweitungsschicht, beispielsweise eine üblicherweise zur Stromverteilung verwendete ITO-Schicht, weggelassen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Brechungsindex des elektrisch leitfähigen Matrixmaterials veränderbar sein. Darunter soll verstanden werden, dass der Brechungsindex auf den Konversionsgrad der Wellenlängenkonversionsschicht abgestimmt werden kann. Beispielsweise können bei einem polymeren Matrixmaterial die Seitenkettenlängen verändert werden bzw. die Seitenketten. Beispielsweise können CH3-Gruppen durch Benzolgruppen ausgetauscht werden, um den Brechungsindex zu erhöhen. Des Weiteren können in das Matrixmaterial Nanopartikel eingefügt werden, um den Brechungsindex des Matrixmaterials zu beeinflussen. Beispielsweise kann mit SiO2-Partikeln eine leichte Erhöhung des Brechungsindizes, mit ZrO-Partikeln eine stärkere Erhöhung des Brechungsindizes erzeugt werden. Hat das Matrixmaterial einen höheren Brechungsindex, kann dieser mit Nanopartikeln auch niedriger eingestellt werden. Somit kann über den Brechungsindex der Matrix die Farbe des von der Vorrichtung emittierten Lichts eingestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wellenlängenkonversionsschicht eine Dicke von ≤ 30 µm, insbesondere von ≤ 10 µm, bevorzugt von ≤ 2 µm auf. Beispielsweise kann die Wellenlängenkonversionsschicht ein Matrixmaterial, in das der zumindest eine Konversionsstoff eingebettet ist, enthalten und eine Dicke von etwa 10 µm aufweisen. Enthält die Wellenlängenkonversionsschicht kein Matrixmaterial, kann ihre Dicke beispielsweise etwa 1 µm betragen. Auch über die Dicke der Wellenlängenkonversionsschicht kann der Brechungsindex der Wellenlängenkonversionsschicht auf den Konversionsgrad abgestimmt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Konversionsstoff nanodispers. Weiterhin kann der zumindest eine Konversionsstoff nicht-streuend ausgeformt sein. Ist der Konversionsstoff nicht elektrisch leitfähig, erlaubt seine nano-skalige Größe die Verwendung von genügend elektrisch leitfähigem Matrixmaterial für einen ausreichenden Stromtransport.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zumindest eine Konversionsstoff in der Wellenlängenkonversionsschicht eine Konzentration von ≤ 100 mol% auf. Weiterhin kann der zumindest eine Konversionsstoff in der Wellenlängenkonversionsschicht eine Konzentration von ≥ 0,01 mol% aufweisen. Das bedeutet, dass die Wellenlängenkonversionsschicht aus zumindest einem Konversionsstoff bestehen kann oder ihn enthält. Besteht die Wellenlängenkonversionsschicht aus zumindest einem Konversionsstoff, ist dieser elektrisch leitfähig ausgeführt. Ist zusätzlich zu dem Konversionsstoff auch Matrixmaterial in der Wellenlängenkonversionsschicht vorhanden, kann entweder der Konversionsstoff oder das Matrixmaterial oder beides elektrisch leitfähig ausgeführt sein. Die Konzentration des zumindest einen Konversionsstoffs in der Wellenlängenkonversionsschicht kann beispielsweise 0,08 mol% betragen. Damit kann beispielsweise ein bläulicher Farbort erzeugt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Konversionsstoff aus einer Gruppe ausgewählt, die Quantendots, in einer anorganischen Matrix eingeschlossene Quantendots, metallorganische Gerüste (MOFs, metal organic frameworks) und metallorganische Komplexe, insbesondere auf Ir basierende metallorganische Komplexe, umfasst. Insbesondere wenn die Wellenlängenkonversionsschicht kein Matrixmaterial enthält, können elektrisch leitfähige Quantendots als Konversionsstoff verwendet werden. Elektrisch leitfähige, in einer anorganischen Matrix eingeschlossene Quantendots können beispielsweise CdSe in einer ZnS-Hülle oder InGaP in einer ZnS-Hülle umfassen. Metallorganische Komplexe können mit oder ohne Matrixmaterial gut in der Wellenlängenkonversionsschicht als elektrisch leitfähiger Konversionsstoff eingesetzt werden. Es können beispielsweise metallorganische Komplexe ausgewählt werden, die auch in organischen Licht emittierenden Dioden eingesetzt werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um Fluoreszenz- oder Phosphoreszenz-Farbstoffe handeln.
  • Solche Konversionsstoffe sind insbesondere dann licht- und temperaturstabil, wenn sie in ein geeignetes Matrixmaterial eingebettet sind und/oder die Wellenlängenkonversionsschicht eine Verkapselung aufweist. Die Konversionsstoffe können so ausgewählt sein, dass sie als Sekundärstrahlung rotes und/oder grünes Licht oder ein Gemisch daraus emittieren. Weiterhin können die Konversionsstoffe im Vakuum verdampfbar sein oder gelöst in polymeren Matrixmaterialien aufgebracht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wellenlängenkonversionsschicht ein absorbierendes Material auf, das Wellenlängen im blauen Spektralbereich absorbiert. Damit kann die Absorption von Primärstrahlung in der Wellenlängenkonversionsschicht erhöht werden, indem die Anregung des absorbierenden Materials auf den Konversionsstoff übertragen wird. Ein absorbierendes Material kann auch chemisch an einen Konversionsstoff gebunden sein. Beispielsweise können Polymere verwendet werden, die ein blau absorbierendes Backbone bzw. eine Absorption im UV-Bereich aufweisen, sowie rot und/oder grün emittierende Seitengruppen. Die Exzitonen werden im Backbone erzeugt, die Emission kann dann über die Anzahl der Seitengruppen auf die Wunschfarbe eingestellt werden. Solche Polymere können elektrisch und optisch angeregt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wellenlängenkonversionsschicht auf der von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eine aufgeraute Oberfläche auf. Unter aufgerauter Oberfläche soll hier und im Folgenden eine strukturierte Oberfläche verstanden werden. Zwischen der aufgerauten Oberfläche und der Spiegelschicht kann dann eine Planarisierungsschicht vorhanden sein. Mit einer Aufrauhung der Wellenlängenkonversionsschicht kann die Auskoppelung verbessert werden. Auf eine zusätzliche Aufrauhung der Halbleiterschichtenfolge auf der Seite der Auskoppelfläche kann somit verzichtet werden. Die verbesserte Auskoppelung auf die der Auskoppelfläche abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionsschicht zu legen, hat den Vorteil, dass mehr blaues Licht zum Konversionsstoff geführt wird. Die ausgekoppelte noch nicht konvertierte Strahlung wird an der Spiegelschicht zurückreflektiert und durchquert ein weiteres Mal die Wellenlängenkonversionsschicht. Damit kann der Konversionsgrad erhöht werden.
  • Weiterhin kann die strahlungsemittierende Vorrichtung eine zumindest die Wellenlängenkonversionsschicht und die Spiegelschicht umgebende Verkapselung aufweisen. Die Verkapselung kann nach dem Aufbringen der Spiegelschicht aufgebracht werden und gegebenenfalls die Halbleiterschichtenfolge, den Wafer und die Wellenlängenkonversionsschicht verkapseln. Dadurch können auch empfindliche Konversionsstoffe in der Wellenlängenkonversionsschicht eingesetzt werden, die sonst gar nicht oder nur mit aufwendiger Sekundärverkapselung einsetzbar sind.
  • Die Verkapselung kann metallisches oder dielektrisches Material umfassen. Beispielsweise kann die Verkapselung Al2O3 oder SiO2 enthalten oder daraus bestehen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Verkapselung eine Dicke aufweisen, die kleiner oder gleich 1 µm ist. Insbesondere kann die Dicke aus dem Bereich 50 bis 500 nm ausgewählt sein. Eine solche Verkapselung kann beispielsweise aus der Gasphase (mittels ALD oder CVD) aufgebracht werden. Auch eine Aufbringung aus der Lösung ist denkbar. Damit können die Wellenlängenkonversionsschicht und die Spiegelschicht auf Wafer-Ebene verkapselt werden.
  • Weiterhin kann die Spiegelschicht eine Metallschicht umfassen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Silberschicht handeln. Die Spiegelschicht kann als elektrische Kontaktschicht ausgeführt sein. Alternativ kann zusätzlich zur Spiegelschicht eine elektrische Kontaktschicht auf der Spiegelschicht angeordnet sein.
  • Die Spiegelschicht kann geeignet sein, die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung in Richtung der Auskoppelfläche zu reflektieren. Das heißt, dass sowohl konvertierte elektromagnetische Strahlung in Form von Sekundärstrahlung als auch nicht-konvertierte elektromagnetische Strahlung in Form von Primärstrahlung, die Wellenlängenkonversionsschicht durchqueren und von der Spiegelschicht reflektiert werden können. Dadurch kann erreicht werden, dass zum einen auf die Spiegelschicht treffende elektromagnetische Primärstrahlung in die Wellenlängenkonversionsschicht zurückreflektiert wird, wodurch eine Erhöhung der Konversionswahrscheinlichkeit für den Anteil der Primärstrahlung erreicht werden kann, der die Wellenlängenkonversionsschicht ohne Konversion in Richtung der Spiegelschicht durchqueren konnte. Zum anderen ermöglicht die Spiegelschicht die Reflexion bereits konvertierter Sekundärstrahlung, die vom Konversionsstoff von der Auskoppelfläche weg gerichtet abgestrahlt wird.
  • Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der strahlungsemittierenden Vorrichtung ergeben sich aus den im Folgenden und in Verbindung mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 3 eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 4 eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 5 eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels. Gezeigt ist die Halbleiterschichtenfolge 10, innerhalb derer eine aktive Schicht 20 angeordnet ist. Die Halbleiterschichtenfolge 10 weist einen Schichtenstapel mit n- und p-leitenden Schichten zusätzlich zu der aktiven Schicht 20 auf. Bei der Halbleiterschichtenfolge 10 kann es sich beispielsweise um auf Nitrid-Verbindungshalbleitern, beispielsweise GaN, basierende Halbleiterschichten handeln. Die aktive Schicht 20 ist zwischen der n- und der p-leitenden Schicht der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 10 angeordnet und emittiert im Betrieb der strahlungsemittierenden Vorrichtung eine Primärstrahlung, die einen blauen Wellenlängenbereich umfasst und einen blaufarbigen Leuchteindruck erweckt.
  • Die aktive Schicht 20 kann einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Mehrfach-Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur) aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
  • Die Halbleiterschichtenfolge 10 kann neben der aktiven Schicht 20 weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Zwischenschichten, Pufferschichten oder Schutzschichten.
  • Bei der Halbleiterschichtenfolge 10 kann es sich insbesondere um einen Dünnfilm-Leuchtdiodenchip handeln.
  • Die Primärstrahlung kann durch eine Auskoppelfläche 11 auf einer Oberfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 10 ausgekoppelt werden.
  • Auf der von der Auskoppelfläche 11 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 10 ist eine Wellenlängenkonversionsschicht 30 angeordnet. Zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht 30 und der Halbleiterschichtenfolge 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Stromaufweitungsschicht 60 angeordnet. Die Stromaufweitungsschicht 60 umfasst beispielsweise ITO oder besteht daraus. Die Wellenlängenkonversionsschicht 30 umfasst einen Konversionsstoff, der mit bis zu 100 mol% in der Wellenlängenkonversionsschicht enthalten ist. Besteht die Wellenlängenkonversionsschicht 30 nur aus zumindest einem Konversionsstoff, so ist dieser elektrisch leitfähig ausgebildet. Dabei handelt es sich beispielsweise um Quantendots, in anorganischen Matrixmaterialien eingebettete Quantendots wie beispielsweise CdSe in ZnS oder InGaP in ZnS, metallorganische Gerüste oder organische Fluoreszenz- oder Phosphoreszenz-Farbstoffe. Der Konversionsstoff ist so gewählt, dass er Sekundärstrahlung im roten und grünen Wellenlängenbereich emittiert. Weiterhin ist der Konversionsstoff nanodispers und nicht streuend ausgebildet.
  • Die Wellenlängenkonversionsschicht 30 kann alternativ zusätzlich zu dem zumindest einen Konversionsstoff auch ein Matrixmaterial enthalten. Denkbar sind die Kombinationen elektrisch leitfähiger Konversionsstoff und nicht elektrisch leitfähiges Matrixmaterial, elektrisch leitfähiger Konversionsstoff und elektrisch leitfähiges Matrixmaterial oder nicht elektrisch leitfähiger Konversionsstoff und elektrisch leitfähiges Matrixmaterial. Als elektrisch leitfähiges Matrixmaterial können leitfähige Polymere basierend auf konjugierten Systemen, insbesondere Fluorene oder Spirofluorene, mit leitfähigen Partikeln oder Salzen versetzte Polymere, sowie Metalloxide oder Metallhalogenide, die jeweils dotiert sein können, eingesetzt werden. Solche Matrixmaterialien sind gut strukturierbar und damit für weitere Chipprozesse einsetzbar und bearbeitbar. Durch geeignete Wahl der Dicke der Wellenlängenkonversionsschicht sowie geeignete Wahl des Matrixmaterials kann der Brechungsindex der Wellenlängenkonversionsschicht auf die gewünschte Farbe der Sekundärstrahlung eingestellt werden. Das Matrixmaterial kann beispielsweise im Fall von Polymeren durch geeignete Seitenketten so gewählt werden, dass der gewünschte Brechungsindex eingestellt werden kann.
  • Die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Primärstrahlung, die entweder in Richtung der Wellenlängenkonversionsschicht ausgekoppelt wird oder an der Auskoppelfläche 11 zurückreflektiert wird und dadurch in die Wellenlängenkonversionsschicht 30 gelangt, wird in der Wellenlängenkonversionsschicht zumindest teilweise konvertiert. Damit wird ein hoher Konversionsgrad der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung erreicht.
  • Auf der Wellenlängenkonversionsschicht befindet sich weiterhin die Spiegelschicht 40, die beispielsweise Silber enthält oder daraus besteht. Die Sekundärstrahlung sowie unkonvertierte Primärstrahlung kann an der Spiegelschicht 40 reflektiert werden, gegebenenfalls in der Wellenlängenkonversionsschicht konvertiert und über die Auskoppelfläche 11 aus der Vorrichtung ausgekoppelt werden. Für einen externen Betrachter entsteht somit ein mischfarbiger Leuchteindruck aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung.
  • Die Spiegelschicht 40 dient weiterhin zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 10. Alternativ dazu kann weiterhin eine Kontaktschicht auf der Spiegelschicht vorhanden sein (hier nicht gezeigt). Weiterhin hier nicht gezeigt ist eine der Spiegelschicht oder einer weiteren Kontaktschicht gegenüberliegende weitere Elektrode zur Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 10. Über die Spiegelschicht bzw. weitere Kontaktschicht sowie der weiteren Elektrode können Ladungsträger, also Elektronen und Löcher, in die Halbleiterschichtenfolge 10 und damit in die aktive Schicht 20 emittiert werden, die dort unter Erzeugung der Primärstrahlung rekombinieren können.
  • Weiterhin in 1 zu sehen ist eine Verkapselung 50, die die Wellenlängenkonversionsschicht 30, die Spiegelschicht 40 sowie die Stromaufweitungsschicht 60 umgibt. Die Verkapselung ermöglicht den Einsatz auch empfindlicher Konversionsstoffe, die anderenfalls nicht oder nur mit aufwendiger Sekundärverkapselung einsetzbar wären. Die Verkapselung kann metallisch oder dielektrisch ausgeführt sein. Beispielsweise enthält die Verkapselung Al2O3 oder SiO2. Zum Beispiel handelt es sich um eine Glasverkapselung mit einer Dicke von etwa 50 nm. Durch das Vorhandensein der Verkapselung 50 sind insbesondere die Konversionsstoffe in der Wellenlängenkonversionsschicht 30 geschützt und weisen dadurch eine hohe Licht- und Temperaturstabilität auf. Auch die empfindliche Spiegelschicht wird durch die Verkapselung geeignet geschützt.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer strahlungsemittierenden Vorrichtung. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Beispiel enthält die Wellenlängenkonversionsschicht 30 in diesem Ausführungsbeispiel ein elektrisch leitfähiges Matrixmaterial, das es ermöglicht, auf eine Stromaufweitungsschicht 60 zu verzichten. Dadurch kann die strahlungsemittierende Vorrichtung noch kompakter und kostengünstiger hergestellt werden.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer strahlungsemittierenden Vorrichtung. Im Unterschied zu dem Beispiel aus 2 enthält die strahlungsemittierende Vorrichtung zusätzlich eine dielektrische Spiegelschicht 70 zwischen der Auskoppelfläche 11 und der Halbleiterschichtenfolge 10. Der dielektrische Spiegel 70 ist dazu geeignet, blaues Licht zu reflektieren oder zumindest teilweise zu reflektieren und nur konvertiertes Licht, also Sekundärstrahlung, durchzulassen. Damit kann der Konversionsgrad weiterhin erhöht und eine Vollkonversion ermöglicht werden. Ein solcher dielektrischer Spiegel 70 kann beispielsweise durch anorganische Schichtenfolgen, die jeweils Al2O3, NbO, und SiO2 enthalten, aufgebaut sein. Die einzelnen Schichten der dielektrischen Spiegelschicht 70 haben dabei exakte Schichtdicken. Es können fünf bis 30 solcher Teilschichten übereinander gestapelt werden, um den dielektrischen Spiegel 70 zu bilden. Innerhalb der einzelnen Teilschichten wechselt der Brechungsindex, sodass die Reflexion von blauem Licht und die Durchlässigkeit von konvertiertem Licht ermöglicht werden.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in schematischer Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung. Im Unterschied zu dem Beispiel aus 2 enthält diese strahlungsemittierende Vorrichtung eine absorbierende Schicht 80, die innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 10 angeordnet ist. Alternativ (hier nicht gezeigt) kann eine solche absorbierende Schicht auch auf der Oberfläche, die von der Wellenlängenkonversionsschicht 30 abgewandt angeordnet ist, aufgebracht werden. Mit einer solchen absorbierenden Schicht 80 kann entweder Vollkonversion oder ein bestimmter Farbort des emittierten Mischlichts erreicht werden. Als Material kann eine solche absorbierende Schicht beispielsweise epi-Material mit hohem Bandgap enthalten, insbesondere GaN oder GaInN, die nach Bedarf mit Al versetzt sein können.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in schematischer Schnittdarstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung. Im Unterschied zu der Vorrichtung, wie sie in 2 gezeigt ist, weist hier die Wellenlängenkonversionsschicht 30 eine aufgeraute Oberfläche auf. Zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht 30 und der Spiegelschicht 40 befindet sich eine Planarisierungsschicht 90, die die Aufrauhung an der Oberfläche der Wellenlängenkonversionsschicht 30 planarisiert. Die Planarisierungsschicht 90 kann beispielsweise SiO2 enthalten oder daraus bestehen. Eine solche Aufrauhung führt zu einer verbesserten Auskopplung aus der Wellenlängenkonversionsschicht, damit zu einer höheren Reflexion an der Spiegelschicht 40 und somit wiederum zu einer höheren Konversionswahrscheinlichkeit in der Wellenlängenkonversionsschicht 30. In einem solchen Fall kann auf eine Aufrauhung an der Auskoppelfläche 11 verzichtet werden. Die Auskopplung auf der Rückseite der Halbleiterschichtenfolge 10, also auf der von der Halbleiterschichtenfolge 10 abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionsschicht 30, hat den Vorteil, dass mehr Primärstrahlung, also blaues Licht, zum Konversionsstoff geführt wird. Damit wird der Konversionsgrad erhöht.
  • Die in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele können auch in beliebiger Weise kombiniert werden. Eine aufgeraute Oberfläche der Wellenlängenkonversionsschicht 30 kann somit beispielsweise auch mit einer dielektrischen Spiegelschicht 70 und/oder einer absorbierenden Schicht 80 kombiniert werden. In den Ausführungsbeispielen, die in den 2 bis 5 gezeigt sind, kann jeweils auch zusätzlich eine Stromaufweitungsschicht 60 zwischen der Halbleiterschichtenfolge 10 und der Wellenlängenkonversionsschicht 30 vorhanden sein.
  • Zusätzlich kann in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5 in der Wellenlängenkonversionsschicht 30 als zusätzliches Material oder als Matrixmaterial ein absorbierendes Material vorhanden sein, das Wellenlängen im blauen Spektralbereich absorbiert. Die Anregung dieses Materials kann auf den Konversionsstoff übertragen werden und damit die Emission von Sekundärstrahlung erhöhen. Ein solches absorbierendes Material kann auch chemisch an den Konversionsstoff gebunden sein. Beispielsweise können Polymere verwendet werden, die ein blau emittierendes Rückgrat aufweisen (in diesem Fall eine Absorption in UV), das mit rot und/oder grün emittierenden Seitengruppen bestückt ist. Die Exzitonen werden im Rückgrat erzeugt, die Emission kann dann über die Anzahl der Seitengruppen auf die Wunschfarbe eingestellt werden. Solche Polymere können nicht nur elektrisch, sondern auch optisch angeregt werden.
  • Eine strahlungsemittierende Vorrichtung wie sie beispielhaft in den 1 bis 5 dargestellt ist, wird auf vereinfachte Weise hergestellt. Das ist vor allem dadurch bedingt, dass die Wellenlängenkonversionsschicht 30 chip-nah und auf Wafer-Level aufgebracht wird. Durch die Prozessierung während des Chipdurchlaufs entfallen damit einige sonst notwendige Folgeprozesse. Zur Herstellung der Wellenlängenkonversionsschicht 30 wird auf Wafer-Ebene der Konversionsstoff und gegebenenfalls ein Matrixmaterial auf die Halbleiterschichtenfolge 10 bzw. auf eine darauf aufgebrachte Stromaufweitungsschicht 60 aufgebracht. Dabei können insbesondere Matrixmaterial und Konversionsstoff coverdampft werden, wenn ein anorganisches Matrixmaterial, wie beispielsweise Metalloxide oder Metallhalogenide, eingesetzt wird. Bei dem Einsatz polymerer Matrixmaterialien kann der Konversionsstoff darin eventuell unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Lösungsmittels gelöst werden und mittels Spin-Coatings oder Sprühens aufgebracht werden. Weiterhin können zum Aufbringen der Wellenlängenkonversionsschicht 30 Methoden wie Dip-Coating oder die Herstellung von Langmuir-Blodgett-Filmen angewendet werden.
  • Durch die Anpassung des Brechungsindex durch geeignete Wahl eines Matrixmaterials, der Schichtdicke der Wellenlängenkonversionsschicht 30 und der Konzentration des Konversionsstoffs in der Wellenlängenkonversionsschicht 30 können die Auskoppelung in die Wellenlängenkonversionsschicht 30 und damit der Konversionsgrad kontrolliert werden. Damit kann letztendlich die Farbe der Sekundärstrahlung und damit auch die Farbe des Mischlichts, das von der strahlungsemittierenden Vorrichtung emittiert wird, beeinflusst werden.
  • 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.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Halbleiterschichtenfolge
    11
    Auskoppelfläche
    20
    aktive Schicht
    30
    Wellenlängenkonversionsschicht
    40
    Spiegelschicht
    50
    Verkapselung
    60
    Stromaufweitungsschicht
    70
    dielektrische Spiegelschicht
    80
    absorbierende Schicht
    90
    Planarisierungsschicht

Claims (14)

  1. Strahlungsemittierende Vorrichtung umfassend - eine Halbleiterschichtenfolge (10) mit einer aktiven Schicht (20), die im Betrieb eine Primärstrahlung emittiert, - eine Auskoppelfläche (11) auf einer Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (10), - eine Wellenlängenkonversionsschicht (30) auf der von der Auskoppelfläche (11) abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (10), die zumindest einen die Primärstrahlung in Sekundärstrahlung umwandelnden Konversionsstoff enthält, - eine Spiegelschicht (40) auf der von der Halbleiterschichtenfolge (10) abgewandten Seite der Wellenlängenkonversionsschicht (30), wobei - der zumindest eine Konversionsstoff elektrisch leitfähig ist und/oder in einem elektrisch leitfähigen Matrixmaterial eingebettet ist.
  2. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das elektrisch leitfähige Matrixmaterial ausgewählt ist aus einer Gruppe, die dotierte und undotierte Metalloxide, dotierte und undotierte Metallhalogenide, elektrisch leitfähige Polymere, mit elektrisch leitfähigen Partikeln versetzte Polymere und mit elektrisch leitfähigen Salzen versetzte Polymere umfasst.
  3. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brechungsindex des elektrisch leitfähigen Matrixmaterials veränderbar ist.
  4. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (30) eine Dicke von kleiner oder gleich 30 µm, insbesondere von kleiner oder gleich 10 µm, bevorzugt von kleiner oder gleich 2 µm aufweist.
  5. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Konversionsstoff nanodispers ist.
  6. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Konversionsstoff in der Wellenlängenkonversionsschicht (30) eine Konzentration von kleiner oder gleich 100 mol% aufweist.
  7. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Konversionsstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Quantum Dots, in einer anorganischen Matrix eingeschlossene Quantum Dots, metallorganische Gerüste und metallorganische Komplexe umfasst.
  8. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (30) ein absorbierendes Material aufweist, das Wellenlängen im blauen Spektralbereich absorbiert.
  9. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht (30) auf der von der Halbleiterschichtenfolge (10) abgewandten Seite eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
  10. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen der aufgerauten Oberfläche und der Spiegelschicht eine Planarisierungsschicht vorhanden ist.
  11. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine zumindest die Wellenlängenkonversionsschicht (30) und die Spiegelschicht (40) umgebende Verkapselung (50).
  12. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verkapselung (50) metallisches oder dielektrisches Material umfasst.
  13. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Verkapselung (50) eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich 1 µm ist.
  14. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiegelschicht (40) eine Metallschicht umfasst.
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