转换元件、光电子半导体器件和用于制造转换元件的方法与流程

相关申请的交叉参引

本申请要求德国专利申请102014117983.8的优先权，其公开内容通过参考并入本文。

提出一种转换元件、一种光电子半导体器件和一种用于制造转换元件的方法。

背景技术：

从现有技术中已知转换元件，所述转换元件构成用于：将具有第一波长的(例如在半导体芯片中产生的)初级辐射转换成具有与第一波长不同的更长的第二波长的次级辐射。通常，转换元件包括灵敏的转换波长的转换材料，所述转换材料在与例如氧气和/或水接触时能够通过例如氧化破坏和/或损坏。

技术实现要素：

要实现的目的在于：提出一种转换元件，所述转换元件具有提高的寿命。

所述目的还通过根据独立权利要求的转换元件、用于制造多个转换元件的方法或半导体器件来实现。设计方案和适宜方案是从属权利要求的主题。

提出一种转换元件。根据至少一个实施方式，转换元件具有转换层，所述转换层包括转换波长的转换材料。

在此，转换波长的转换材料的特征在于：将例如由半导体芯片发射的电磁辐射的波长在转换材料处转换。由此，转换元件构成用于：将具有第一波长的(例如在半导体芯片中产生的)初级辐射转换成具有与第一波长不同的更长的第二波长的次级辐射。

转换层尤其包括灵敏的转换波长的转换材料。灵敏的转换材料的特征例如在于：转换材料在与例如氧气和/或水接触时能够通过例如氧化破坏和/或损坏。此外，灵敏的转换材料能够灵敏地对温度波动做出反应并且通过这种温度波动例如损坏其功能。

根据至少一个实施方式，全方位地封装转换层。这尤其表示：转换层在两个主面处和在其侧面处封装。通过全方位的封装实现转换层的提高的寿命。根据至少一个实施方式，转换元件包括在转换层的第一主面上的第一封装层。第一封装层具有在10μm和500μm之间、优选在25μm和300μm之间、例如在50μm和200μm之间的厚度。

根据至少一个实施方式，转换元件包括在转换层的第二主面上的第二封装层。第二封装层具有在0.1μm和20μm之间、优选在0.2μm和10μm之间、例如在0.5μm和5μm之间的厚度。

一个层或一个元件设置或施加在另一层或另一元件“上”或“上方”在此和在下文中能够表示：所述一个层或一个元件直接地以直接机械和/或电接触的方式设置在所述另一层或另一元件上。此外，也能够表示：所述一个层或一个元件间接地设置在所述另一层或另一元件上或上方。在此，于是，另外的层和/或元件能够设置在所述一个层和所述另一层之间。

优选地，第一封装层和第二封装层包含(尤其透明的)封装材料，所述封装材料与转换材料不同。封装材料构成用于：保护转换层免受湿气和氧气影响。例如，封装材料能够具有如下水蒸气穿透率，所述水蒸气穿透率最高为1×10^-3g/m²/日，例如最高为3×10^-4g/m²/日，优选最高为1×10^-6g/m²/日，尤其优选最高为1×10^-8g/m²/日。

通过转换元件能够以单独封装的方式提供，即封装不在转换元件已经设置在光电子半导体器件中的时间点才开始，能够预先描述转换元件的特征。特别地，能够测量可通过转换元件产生的次级辐射的色坐标。在随后的方法步骤中，转换元件能够在光电子半导体器件中与半导体芯片组合，所述半导体芯片本身发射具有适当的色坐标的初级辐射，由此有利地能够产生具有期望的色彩特性的白光。

根据至少一个实施方式，转换材料包括转换波长的量子点。例如，转换层包括基体材料(例如丙烯酸酯)，其中转换波长的量子点引入到基体材料中。

通过将量子点用作为转换材料实现良好的显色性，因为转换的电磁辐射是相对窄带的，进而不产生不同光谱颜色的混合。例如，经转换的辐射的光谱具有至少20nm直至最高60nm的波长宽度。这能够实现产生光，所述光的颜色能够极其精确地与光谱范围相关联。由此，在将转换元件在背光装置的光电子半导体器件中使用时能够实现大的色域。

量子点优选为纳米颗粒，即具有在纳米范围中的大小的微粒。量子点包括半导体核，所述半导体核具有转换波长的特性。半导体核例如能够借助cdse、cds、inas、cuins2、znse(例如mn掺杂)和/或inp形成，并且例如是掺杂的。对于具有红外辐射的应用而言，半导体核例如能够借助cdte、pbs、pbse和/或gaas形成，并且同样例如是掺杂的。半导体核能够由多个层包覆。换言之，半导体核能够在其外面上完全地或几乎完全地由另外的层覆盖。

量子点的第一包覆层例如借助无机材料、即例如zns、cds和/或cdse形成，并且用于产生量子点势能。第一包覆层和半导体核由至少一个第二包覆层在露出的外面处几乎完全包围。第二层例如能够借助有机材料、即例如胱胺或半胱氨酸形成，并且有时用于改进量子点在例如基体材料和/或溶剂中的可溶性(也能够应用胺、含硫的或含磷的有机化合物)。在此可行的是：由于第二包覆层改进量子点在基体材料中的空间均匀的分布。

根据转换元件的至少一个实施方式提出：转换元件的侧面具有分割痕迹。

根据转换元件的至少一个实施方式提出：第一封装层通过由玻璃或塑料构成的载体元件形成。例如，载体元件能够包含硼硅玻璃或由硼硅玻璃构成。

根据转换元件的至少一个实施方式提出：第二封装层具有al2o3、sio2、zro2、tio2、si3n4、硅氧烷、sioxny和/或帕利灵，或者由所述材料之一构成。优选地，第二封装层通过覆层方法构成，例如借助原子层沉积(ald)和/或化学气相沉积(cvd)和/或溅射构成。化学气相沉积的使用也能够以等离子增强的方式进行。

根据转换元件的至少一个实施方式提出：在第一封装层上设置有框架元件，所述框架元件侧向地包围转换层。将横向(侧向)方向在此和在下文中理解为：平行于转换层和/或第一封装层和/或第二封装层的主延伸平面的方向。类似地，将竖直方向理解为垂直于所提出的平面的方向。

根据转换元件的至少一个实施方式，第一封装层和框架元件一件式地构成。例如，第一封装层和框架元件能够通过由玻璃或其他透明材料盆状地或蜂窝状地构成的元件形成。

根据转换元件的至少一个实施方式，第二封装层延伸直到转换层的侧面上并且侧向地围绕转换层。在此，在制造时取消对于构成框架元件所需的工艺步骤。

根据至少一个实施方式，光电子半导体器件具有设置用于产生电磁辐射的半导体芯片。半导体芯片尤其具有半导体本体，所述半导体本体具有设置用于产生电磁辐射的有源区域。半导体本体、尤其有源区域例如包含iii-v族化合物半导体材料。

根据光电子半导体器件的至少一个实施方式，半导体器件具有壳体本体，所述壳体本体至少沿横向方向包围半导体芯片。

根据光电子半导体器件的至少一个实施方式，在壳体本体上设置有转换元件，所述转换元件包含转换波长的转换材料并且如上面描述那样构成。

例如，半导体器件设置用于产生混合光，尤其对于人眼显现为白色的混合光。例如，蓝色的电磁辐射通过转换元件至少部分地或完全地转换成红色的和/或绿色的辐射。

根据光电子半导体器件的至少一个实施方式，半导体器件在后侧上具有用于接触半导体芯片的两个接触部。将半导体器件的后侧理解为半导体器件的从半导体芯片起观察背离转换元件的一侧。

根据光电子半导体器件的至少一个实施方式，半导体器件还具有导体框。优选地，在半导体器件的后侧上的两个接触部通过导体框的一部分形成。

根据光电子半导体器件的至少一个实施方式，转换元件设置在壳体本体上，使得第一封装层从转换层起观察背离半导体芯片。

根据光电子半导体器件的至少一个实施方式，壳体本体具有外壁区域，所述外壁区域至少部分地侧向地围绕转换元件。

提出一种用于制造多个转换元件的方法。

根据方法的至少一个实施方式，方法包括如下步骤，在所述步骤中提供载体复合件，所述载体复合件例如能够包含玻璃或塑料或者由所述材料之一构成。载体复合件能够具有在10μm和500μm之间、优选在25μm和300μm之间、例如在50μm和200μm之间的厚度。

根据方法的至少一个实施方式，方法包括如下步骤，在所述步骤中在载体复合件上构成多个转换层，其中转换层沿横向方向彼此间隔开并且分别以第一主面设置在载体复合件上。

根据方法的至少一个实施方式，方法包括如下步骤，在所述步骤中至少在多个转换层的各第二主面上优选借助如下材料构成覆层，所述材料与载体复合件的材料不同。覆层例如能够具有al2o3、sio2、zro2、tio2、si3n4、硅氧烷、sioxny和/或帕利灵，或者由所述材料之一构成。优选地，在此，应用如下覆层方法，即例如原子层沉积(ald)和/或化学气相沉积(cvd)和/或溅射。化学气相沉积的使用也能够以等离子增强的方式进行。覆层具有在0.1μm和20μm之间、优选在0.2μm和10μm之间、例如在0.5μm和5μm之间的厚度。

根据方法的至少一个实施方式，方法包括如下步骤，在所述步骤中将载体复合件分割成多个转换元件，其中每个转换元件具有至少一个转换层、载体复合件的一部分作为第一封装层、和覆层的一部分作为第二封装层。由于分割，所形成的转换元件的侧面具有分割痕迹。

根据方法的至少一个实施方式，方法包括如下步骤，在所述步骤中在将多个转换层构成在载体复合件上之前，在载体复合件上构成网格结构。网格结构具有多个矩阵状地设置的留空部。在每个留空部的区域中分别露出载体复合件。在每个留空部中随后构成转换层中的一个。在分割时，割断网格结构，使得每个转换元件具有网格结构的一部分作为框架元件，所述框架元件侧向地围绕转换层。

根据方法的至少一个实施方式，方法包括如下步骤，在所述步骤中网格结构通过如下方式构成：将板元件固定在载体复合件上，并且在板元件中构成留空部。板元件例如能够由硅构成并且通过阳极键合工艺固定在载体复合件上。留空部随后能够被刻蚀。替选地可行的是：在将板元件固定在载体复合件上之前，已经在板元件中构成留空部。

根据方法的至少一个实施方式，方法包括如下步骤，在所述步骤中网格结构通过如下方式构成：提供载体结构，在所述载体结构中构成矩阵状地设置的凹部。在此，载体结构的第一部分形成载体复合件，并且第二部分形成就本发明而言的网格结构。

根据方法的至少一个实施方式，载体复合件的设置在横向间隔开的转换层之间的区域保持未被覆盖，尤其不具有如上面描述那样构成的网格结构。

有利地，通过所介绍的方法实现紧密地且完全地封装所形成的转换元件中的转换层，而在复合件层面上进行全部的或至少大多数的制造步骤，这允许尤其经济地制造转换元件。同时，具有如此制造的转换元件的光电子半导体器件具有尤其扁平且紧凑的构型，由此所述光电子半导体器件例如适合于使用在背光装置中。

用于制造转换元件的上述方法对于制造根据本发明的转换元件是尤其适合的。结合方法详述的特征因此也能够考虑用于转换元件或者相反。

附图说明

从下面结合附图对实施例的描述中得出其他的特征、设计方案和适宜方案。

相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。

在附图中示出的元件相互间的大小关系和附图不视为是合乎比例的。更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好的理解能够夸大地示出各个元件和尤其层厚度。

附图示出：

图1至7和8至13根据分别在示意剖面图中示出的中间步骤分别示出用于制造转换元件的方法的实施例；

图14至19分别示出转换元件的实施例；和

图20至29分别示出光电子器件的实施例。

具体实施方式

在图1至7中示出用于制造多个转换元件的方法的第一实施例。

在图1中示出的方法步骤中，提供例如由玻璃构成的载体复合件10，所述载体复合件具有在50μm和200μm之间的厚度。

在图2中示出的方法步骤中，在载体复合件10上构成网格结构12。图3示出在图2中示出的复合件的俯视图。网格结构12具有多个矩阵状设置的留空部14。在每个留空部14的区域中分别露出载体复合件10。

随后，在每个留空部14中构成转换层16(图4)。在两个相邻的转换层16之间设置有通过网格结构12形成的分离壁18，使得转换层16彼此横向间隔开。每个转换层16具有第一主面20和与第一主面20相对置的第二主面22。每个转换层16的第一主面20邻接于载体复合件10。

在图5中示出的方法步骤中，构成覆层24，所述覆层分别覆盖每个转换层16的第二主面22以及分离壁18的背离载体复合件10的上侧26。覆层24例如能够由帕利灵构成并且具有在0.5μm和5μm之间的厚度。

在图6中示出的方法步骤中，将载体复合件10和网格结构12分割成多个转换元件100。对此，将载体复合件10在分离壁18的区域中沿着分割线28割断。这例如能够机械地、如借助于锯割，化学地、例如借助于刻蚀，和/或借助于相干辐射、例如通过激光剥离进行。

每个所形成的转换元件100具有至少一个转换层16、载体复合件10的一部分作为第一封装层30和覆层24的一部分作为第二封装层32(图7)。此外，每个转换元件100包括网格结构12的割断的分离壁18的一部分。所述部分形成框架元件34，所述框架元件侧向地围绕进而封装转换层。由于分割，所形成的转换元件100的侧面29具有分割痕迹。

在图8至13中示出用于制造多个转换元件的方法的第二实施例。

在图8中示出的方法步骤中，又提供例如由玻璃构成的载体复合件10。

在图9中示出的方法步骤中，通过印刷方法，例如丝网印刷在载体复合件10上构成多个转换层16，其中转换层16沿横向方向彼此间隔开并且分别借助其第一主面20设置在载体复合件10上。在此，载体复合件10的设置在横向间隔开的转换层16之间的区域保持未被覆盖，尤其不具有例如在图2和3中示出的网格结构。图10示出在图9中示出的复合件的俯视图。

图11中示出的方法步骤中，构成覆层24，所述覆层分别覆盖每个转换元件16的第二主面22以及载体复合件10的未被覆盖的区域。

在图12中示出的方法步骤中，将载体复合件10分割为多个转换元件100。每个所形成的转换元件100又具有至少一个转换层16、载体复合件10的一部分作为第一封装层30和覆层24的一部分作为第二封装层32(图13)。如在第一实施例中那样，所形成的转换元件100的侧面29具有分割痕迹。

在图14至19中分别示出转换元件的实施例。

在图14中示出转换元件100的实施例，所述转换元件通过如下方法制造，所述方法基本上具有在图1至7中示出的方法步骤。

在此，网格结构通过如下方式构成：将由硅构成的板元件通过阳极键合工艺固定在载体复合件上并且通过各向异性的刻蚀工艺在板元件中构成留空部(未示出)。

制成的转换元件100的框架元件34由硅构成并且与第一封装层30一起构成腔室，在所述腔室中设置有转换层16。附加地，转换元件100具有反射层36，所述反射层覆盖框架元件34进而降低通过框架元件34的材料吸收电磁辐射。此外，能够实现有效孔径的收缩，这在一些应用中是期望的。反射层36能够构成为介电镜或者具有反射材料，如银或铝。

在图15中示出转换元件100的另一实施例，所述转换元件通过如下方法制造，所述方法基本上具有在图1至7中示出的方法步骤。

在此，网格结构由透明的或反射的(尤其高反射的)材料构成，例如由无机-有机杂化聚合物、硅树脂或金属构成。制成的转换元件100的框架元件34因此由所提及的材料构成并且又与第一封装层30一起构成腔室，在所述腔室中设置有转换层16。

在未详细示出的另一实施例中，根据图14和15的其中设置有转换层16的腔室也能够通过下述材料组合之一制造：玻璃-可伐、玻璃-铝、石英-金属。在此，各首先提及的材料尤其表示如下材料：第一封装层30具有所述材料或者所述第一封装层由所述材料构成。此外，各其次提及的材料尤其表示如下材料：框架元件34具有所述材料或者所述框架元件由所述材料构成。材料可伐为特拉华州的crsholdingsinc.公司的商标。特别地，借此表示如下合金：所述合金具有小的热膨胀系数，典型地大致为5ppm/k。

在图16中示出转换元件100的另一实施例，所述转换元件通过如下方法制造，所述方法基本上具有在图1至7中示出的方法步骤。

与在图14和15中示出的实施例的区别是，通过如下方式构成网格结构：提供由玻璃构成的载体结构，在所述载体结构中构成矩阵状地设置的留空部(未示出)。对此，能够各向异性地或各向同性地刻蚀、喷砂或挤压由玻璃构成的载体结构。在此，载体结构的第一部分形成载体复合件，并且第二部分形成就本发明而言的网格结构。因此，第一封装层30和框架元件34在制成的转换元件100中一件式地构成。

在图17中示出转换元件100的另一实施例，所述转换元件通过如下方法制造，所述方法基本上具有在图8至13中示出的方法步骤。在转换元件的该实施方式中，第二封装层32延伸直到转换层16的侧面上并且侧向地围绕所述转换层。与在图14至16中示出的实施例的区别是：在制造时取消对于构成框架元件所需的工艺步骤。

在图18和19中示出转换元件100的另一实施例。与在图14至17中示出的实施例的区别是：转换元件100包括第三封装层38，所述第三封装层设置在转换层16的第二主面22上。优选地，第一封装层30和第三封装层38由相同的材料、例如由玻璃或塑料、尤其由塑料薄膜构成。第一封装层30、转换层16和第三封装层38尤其能够共同地构成薄膜夹层结构。两个在图18和19中示出的实施例的区别在于：第二封装层32要么仅从一侧要么从两侧施加。在图19中示出的实施例中，所述第二封装层也覆盖第一封装层30的背离转换层16的一侧。

在图20和21中示出整体上用200表示的光电子半导体器件的实施例。光电子半导体器件200具有设置用于产生电磁辐射的半导体芯片202。此外，半导体器件200具有壳体本体204，所述壳体本体至少沿横向方向包围半导体芯片202。在壳体本体204上设置有转换元件100，所述转换元件对应于在图14中示出的实施方式。

半导体器件200设置用于产生混合光、尤其对于人眼而言显现为白色的混合光。例如，蓝色的电磁辐射通过转换元件100至少部分地或完全地转换成红色的和/或绿色的辐射。

半导体器件还具有导体框206，其中通过导体框206的一部分形成在半导体器件200的后侧上的两个接触部208、210。

在图22和23中示出光电子半导体器件的两个另外的实施例。

与在图20和21中示出的实施例不同，转换元件100设置在壳体本体204上，使得(较厚的)第一封装层30从转换层16观察背离半导体芯片。由此实现，更少量蓝光能够通过波导效应在光电子半导体器件的侧部上射出，即降低色彩不均匀度(所谓的bluepiping，蓝色通路)，所述色彩不均匀度能够归因于：未经转换的初级辐射能够绕过转换元件离开组件。

蓝光能够仅穿过第二封装层32向外射出，所述第二封装层仅具有小的厚度。在图23中示出的实施例中，光还能够从转换层16向外射出。然而，在此为转换的或白色的光。

在图24中示出光电子半导体器件的另一实施例。

与在图20和21中示出的实施例不同，壳体本体204具有外壁区域212，所述外壁区域至少部分地侧向地围绕转换元件100。在当前的实施例中，壳体本体204具有阶梯形构成的横截面。由此，形成底座214，在所述底座上能够设置转换元件100。传导经过第一封装层30且在其侧面处射出的蓝光通过在外壁区域212处吸收或反射而防止从壳体本体204中射出。

在图25中示出光电子半导体器件的另一实施例。

与在图24中示出的实施例不同，半导体器件200包括根据在图18中示出的实施例的转换元件100。第二封装层32在如下时间点才构成：在所述时间点中，通过第一封装层30、转换层16和第三封装层38形成的夹层结构设置在壳体本体204上。由于此，第二封装层32也覆盖外壁区域212的一部分。

在图26至29中示出光电子半导体器件的四个另外的实施例。

与在图20至25中示出的实施例不同，应用其他类型的半导体芯片和壳体本体。这说明：本发明不限制于在图20至25中示出的布置、尤其不限制于将导体框或键合线用于对半导体芯片供电。在图26中，示出如下布置，所述布置具有半导体芯片202，所述半导体芯片构成为蓝宝石倒装芯片或构成为没有上侧接触部的结构；在图27中示出如下布置，在所述布置中半导体芯片202侧向地由空气包围，并且与转换元件100直接接触，或者至少极其靠近所述转换元件设置；和在图28中示出光电子器件200，其中壳体本体204通过模压或通过薄膜辅助的浇注法(filmassistedtransfermolding，薄膜辅助的传递模塑法)构成。在图29中示出的布置中设置有热过孔216，所述热过孔设置在转换元件100和导体框206之间并且用于从转换元件100中有效地散热。

本发明不局限于根据实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括各个新的特征以及特征的各个组合，这尤其包含权利要求中的特征的各个组合，即使所述特征或所述组合本身没有在权利要求或实施例中明确地说明时也如此。