OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERELEMENT UND OPTOELEKTRONISCHES

BAUELEMENT

Es werden ein optoelektronisches Halbleiterelement und ein optoelektronisches Bauelement angegeben.

Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein optoelektronisches Halbleiterelement und ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserter Abstrahlcharakteristik anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.

Gemäß einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterelement einen Halbleiterchip zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung auf.

Der Halbleiterchip ist beispielsweise eine lichtemittierende Diode. Der Halbleiterchip umfasst eine

Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist. Bevorzugt ist der Halbleiterchip ein Oberflächenemitter, beispielsweise ein Dünnfilmchip, bei dem ein Großteil der Emission, zum Beispiel wenigstens 90% der Emission durch eine Hauptfläche des Halbleiterchips erfolgt. Alternativ kann der Halbleiterchip auch ein Volumenemitter sein, bei dem ein Teil der Emission, zum Beispiel wenigstens 30 % der Emission durch Seitenflächen des Halbleiterchips erfolgt.

Die Halbleiterschichtenfolge weist bevorzugt ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial auf. Nitrid- Verbindungshalbleitermaterialien sind Ver bindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie zum Beispiel die Materialien aus dem System In _x Al _y Gai- _x-y N mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine Strahlungsauskoppelfläche auf, über die im Betrieb eine erste elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich abgestrahlt wird. Im Falle eines Oberflächenemitters entspricht die Strahlungsauskoppelfläche beispielsweise einer Hauptfläche der

Halbleiterschichtenfolge, die parallel zu den Schichten der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Die im Betrieb abgestrahlte erste elektromagnetische Strahlung ist beispielsweise Licht, bevorzugt im sichtbaren

Spektralbereich. Der erste Wellenlängenbereich der im Betrieb abgestrahlten ersten elektromagnetischen Strahlung umfasst bevorzugt kurzwelliges Licht, beispielsweise blaues und/oder ultraviolettes Licht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterelement eine Konversionsschicht auf, die direkt auf der Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips angeordnet ist. Der Halbleiterchips und die Konversionsschicht können sich stellenweise in direktem Kontakt zueinander befinden. Insbesondere tritt die erste elektromagnetische Strahlung, die von der

Strahlungskoppelfläche des Halbleiterchips ausgeht, bevorzugt vollständig in die Konversionsschicht ein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform bedeckt die Konversionsschicht die Strahlungsauskoppelfläche vollständig und weist eine Hauptfläche auf, die der

Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegt. Die Hauptfläche der Konversionsschicht ist beispielsweise parallel zur Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips angeordnet. Insbesondere ist die Hauptfläche der Konversionsschicht zur Auskoppelung von elektromagnetischer Strahlung aus der Konversionsschicht eingerichtet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Konversionsschicht zumindest einen Leuchtstoff, der zur Konversion zumindest eines Teils der ersten elektromagnetischen Strahlung in eine zweite elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs eingerichtet ist.

Der Leuchtstoff kann beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Granate der seltenen Erden und der Erdalkalimetalle, Nitride, Nitridosilikate, Sione, Sialone, Aluminate, Oxide, Halophosphate, Orthosilikate, Sulfide, Vandate und Chlorosilikate. Weiterhin kann der Leuchtstoff zusätzlich oder alternativ ein organisches Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt sein kann, die Perylene, Benzopyrene, Coumarine, Rhodamine und Azofarbstoffe umfasst. Der Leuchtstoff kann beispielsweise in einem transparenten Matrixmaterial enthalten sein, das durch einen Kunststoff, ein Silikon, ein Glas, ein Keramikmaterial oder eine Kombination daraus gebildet sein kann. Hierdurch kann ein sogenanntes Leuchtstoffplatelet als

Konversionsschicht gebildet sein, das vorgefertigt und somit selbsttragend sein kann oder das durch Aufbringen auf die Hauptfläche gebildet werden kann. Weiterhin kann der Leuchtstoff auf einem transparenten Substrat aufgebracht sein, etwa einem Glas oder Keramiksubstrat. Darüber hinaus ist es bei einem keramischen Leuchtstoff auch möglich, dass dieser ein selbsttragendes Keramikbauteil bildet, das die Konversionsschicht bildet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Wellenlängenbereich vom ersten Wellenlängenbereich verschieden. Beispielsweise umfasst der zweite Wellenlängenbereich Licht mit längeren Wellenlängen als der erste Wellenlängenbereich. Insbesondere weist der zweite Wellenlängenbereich eine größere Bandbreite auf als der erste Wellenlängenbereich. Beispielsweise umfasst der erste Wellenlängenbereich blaues Licht, während der zweite Wellenlängenbereich blaues bis rotes Licht umfasst.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterelement ein optisches Rückkoppelelement auf, das direkt auf der Hauptfläche der Konversionsschicht angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Rückkoppelelement zur Reflexion zumindest eines Teils der ersten und/oder der zweiten elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Insbesondere wird zumindest ein Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung, welche vom Halbleiterchip emittiert wird und beim Durchgang durch die Konversionsschicht nicht konvertiert, aber gestreut werden kann, vom optischen Rückkoppelelement zurück in die Konversionsschicht reflektiert. Des Weiteren wird beispielsweise zumindest ein Teil der zweiten elektromagnetischen Strahlung, die vom Leuchtstoff innerhalb der Konversionsschicht emittiert wird, vom optischen Rückkoppelelement zurück in die Konversionsschicht reflektiert .

Das optische Rückkoppelelement ist insbesondere dazu eingerichtet, eine mittlere optische Weglänge der ersten elektromagnetischen Strahlung und/oder der zweiten elektromagnetischen Strahlung in der Konversionsschicht zu erhöhen. Im Vergleich zu einem optoelektronischen Halbleiterelement ohne optischem Rückkoppelelement ist es dadurch möglich, dass die Konversionsschicht bei gleicher mittlerer optischer Weglänge eine geringere Dicke aufweist. Eine Dicke der Konversionsschicht bezieht sich hier und im Folgenden auf eine Ausdehnung der Konversionsschicht zwischen der Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips, auf der die Konversionsschicht angeordnet ist, und der Hauptfläche der Konversionsschicht. Insbesondere gibt die Dicke eine Ausdehnung in einer Richtung parallel zur Flächennormalen der Hauptfläche der Konversionsschicht an.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optische Rückkoppelelement eine Vielzahl von Öffnungen auf, durch die Bereiche der Hauptfläche der Konversionsschicht freiliegen. Die hier und im Folgenden beschriebenen Merkmale für eine Öffnung gelten bevorzugt für alle Öffnungen. Die Merkmale können sich aber auch für verschiedene Öffnungen unterscheiden. Beispielsweise weist die Form einer Öffnung in Draufsicht eine kreisförmige, ovale, quadratische oder rechteckige Form auf. Des Weiteren ist eine Öffnung mit beliebiger gekrümmter und/oder polygonaler Form möglich. Eine laterale Ausdehnung einer Öffnung ist bevorzugt größer als eine Dicke des optischen Rückkoppelelements. Hier und im Folgenden wird mit lateral eine Richtung bezeichnet, die sich parallel zur Hauptfläche der Konversionsschicht erstreckt. Beispielsweise beträgt eine laterale Ausdehnung einer Öffnung zwischen einschließlich 10 Mikrometern und einschließlich 50 Mikrometern. Des Weiteren kann die Vielzahl von Öffnungen beliebig angeordnet sein. Beispielsweise bilden die Öffnungen eine periodische oder eine aperiodische Anordnung.

Durch eine geeignete Wahl beispielsweise der Anzahl und der lateralen Ausdehnung der Vielzahl von Öffnungen kann die Winkelverteilung der vom optoelektronischen Halbleiterelement abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung verändert werden. Insbesondere ist das optische Rückkoppelelement dazu eingerichtet, im Betrieb eine verstärkte Seitenemission des optoelektronischen Halbleiterelements zu bewirken. In anderen Worten wird durch das optische Rückkoppelelement zumindest ein Teil der im Betrieb von der Hauptfläche der Konversionsschicht ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung zu größeren Abstrahlwinkeln umgelenkt. Die umgelenkte elektromagnetische Strahlung wird beispielsweise zumindest teilweise über Seitenflächen der Konversionsschicht ausgekoppelt. Hier und im Folgenden bezieht sich der Abstrahlwinkel immer auf eine Flächennormale zur Hauptfläche der Konversionsschicht, aus der die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt wird. Somit kann beispielsweise auf das Aufbringen einer verhältnismäßig dicken, lichtdurchlässigen Vergusskappe mit geringem Reflexionsgrad auf die Konversionsschicht zur Erhöhung der Seitenemission verzichtet werden. Das optische Rückkoppelelement erlaubt insbesondere eine verstärkte Seitenemission bei einer verhältnismäßig dünnen Bauweise des optoelektronischen Halbleiterelements. Dünne optoelektronische Halbleiterelemente mit verstärkter Seitenemission sind insbesondere vorteilhaft zur Hintergrundbeleuchtung von Anzeigevorrichtungen mit vielen lokalen Dimmbereichen einsetzbar.

Gemäß einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterelement folgende Merkmale auf:

- einen Halbleiterchip zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, der eine Strahlungsauskoppelfläche aufweist, über die im Betrieb eine erste elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich abgestrahlt wird, und

- eine Konversionsschicht, die direkt auf der

Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips angeordnet ist, wobei

- die Konversionsschicht die Strahlungsauskoppelfläche vollständig bedeckt und eine Hauptfläche aufweist, die der Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegt, wobei

- die Konversionsschicht einen Leuchtstoff umfasst, der zur Konversion zumindest eines Teils der ersten elektromagnetischen Strahlung in eine zweite elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs eingerichtet ist, wobei

- der zweite Wellenlängenbereich vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist, und

- ein optisches Rückkoppelelement, das direkt auf der Hauptfläche der Konversionsschicht angeordnet ist, wobei - das optische Rückkoppelelement zur Reflexion zumindest eines Teils der ersten und/oder der zweiten elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, und

- das optische Rückkoppelelement eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, durch die Bereiche der Hauptfläche der Konversionsschicht frei liegen.

Eine Idee des hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterelements besteht darin, eine breite Abstrahlcharakteristik mit verstärkter Seitenemission im Vergleich zu einem Lambert-Strahler bei möglichst dünner Bauweise zu erreichen. Insbesondere kann die

Abstrahlcharakteristik beispielsweise durch Wahl der Anzahl und der lateralen Ausdehnung der Öffnungen im optischen Rückkoppelelement eingestellt werden. Das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterelement ist beispielsweise zur Hintergrundbeleuchtung von Anzeigevorrichtungen geeignet. Insbesondere können lokale Dimmbereiche möglichst homogen ausgeleuchtet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische Rückkoppelelement eine reflektierende metallische Schicht. Beispielsweise kann das optische Rückkoppelelement eine reflektierende metallische Schichtenfolge aufweisen. Die metallische Schicht oder die metallische Schichtenfolge ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der ersten und/oder der zweiten elektromagnetischen Strahlung zurück in die Konversionsschicht zu reflektieren. Die metallische Schicht umfasst beispielsweise Gold, Aluminium, Silber oder andere Metalle und deren Legierungen. Bevorzugt weist die metallische Schicht oder die metallische Schichtenfolge eine Reflektivität größer als oder gleich 50% für erste und/oder zweite elektromagnetische Strahlung auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Reflektivität der reflektierenden metallischen Schicht größer als 75%. Insbesondere werden mehr als 75% der ersten und/oder der zweiten elektromagnetischen Strahlung, die auf die reflektierende metallische Schicht trifft, in die Konversionsschicht zurück reflektiert. Die Reflektivität kann beispielsweise durch eine geeignete Wahl des Materials und/oder der Dicke der metallischen Schicht eingestellt werden. Insbesondere ist die Dicke der reflektierenden metallischen Schicht geringer als eine laterale Ausdehnung der Öffnungen in der metallischen Schicht, durch die Bereiche der Hauptfläche der Konversionsschicht frei liegen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das optische Rückkoppelelement einen dielektrischen Bragg-Reflektor. Der dielektrische Bragg-Reflektor umfasst zumindest ein dielektrisches Schichtenpaar, wobei die zwei Schichten eines Schichtenpaares unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Insbesondere ist der dielektrische Bragg-Reflektor dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu reflektieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt ein Reflektivitätsmaximum des dielektrischen Bragg-Reflektors im ersten Wellenlängenbereich der ersten elektromagnetischen Strahlung. Der dielektrische Bragg-Reflektor weist insbesondere ein Reflektivitätsmaximum bei einer Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf, die beispielsweise dem Vierfachen einer optischen Dicke von Schichten des dielektrischen Bragg-Reflektors entspricht. Durch die Wahl des Reflektivitätsmaximums im ersten Wellenlängenbereich wird bevorzugt erste elektromagnetische Strahlung vom dielektrischen Bragg-Reflektor reflektiert. Somit kann die mittlere optische Weglänge der ersten elektromagnetischen Strahlung in der Konversionsschicht größer sein als die mittlere optische Weglänge der zweiten elektromagnetischen Strahlung in der Konversionsschicht. Insbesondere ändert sich dadurch die Farbwahrnehmung des optoelektronischen Halbleiterelements. Insbesondere verringert sich der Anteil an kurzwelligem, beispielsweise blauem Licht, welches vom optoelektronischen Halbleiterelement abgestrahlt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Reflektivität des dielektrischen Bragg-Reflektors am Reflektivitätsmaximum größer als 75%. Die Reflektivität kann einerseits durch geeignete Wahl der Brechungsindizes des zumindest einen Schichtenpaares des dielektrischen Bragg-Reflektors eingestellt werden. Andererseits wird die Reflektivität durch die Anzahl der Schichtenpaare bestimmt. Des Weiteren kann durch geeignete Wahl der Brechungsindizes die Breite des Wellenlängenfensters eingestellt werden, innerhalb dessen der dielektrische Bragg-Reflektor stark reflektierend wirkt. Beispielsweise kann der dielektrische Bragg-Reflektor so ausgeführt sein, dass er nur erste elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich stark reflektiert. Im Gegensatz dazu wird zweite elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich beispielsweise schwach reflektiert. Dadurch erhöht sich die mittlere optische Weglänge der ersten elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Konversionsschicht. Das optische Rückkoppelelement erhöht somit einen Konversionsgrad der ersten elektromagnetischen Strahlung. Somit erlaubt das optische Rückkoppelelement eine dünnere Bauweise des optoelektronischen Halbleiterelements bei ähnlichem oder gleichem Konversionsgrad wie bei einem optoelektronischen Halbleiterelement ohne optischem Rückkoppelelement .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Öffnungen des optischen Rückkoppelelementes zur Auskoppelung zumindest eines Teils der ersten elektromagnetischen Strahlung und zumindest eines Teils der zweiten elektromagnetischen Strahlung eingerichtet.

Durch geeignete Wahl beispielsweise der Anzahl und der lateralen Ausdehnung der Öffnungen, kann die Winkelverteilung der vom optoelektronischen Halbleiterelement im Betrieb abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung geändert werden. Insbesondere bewirkt die Kombination aus Rückreflektion im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung am optischen Rückkoppelelement sowie Streuung der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Konversionsschicht, dass Anteile der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung aus kleinen Abstrahlwinkeln zu größeren Abstrahlwinkeln umverteilt werden. Die Öffnungen im optischen Rückkoppelelement führen insbesondere zu einer verringerten Vorwärtsemission und somit zu einer verstärkten Seitenemission des optoelektronischen Halbleiterelementes. Hier und im Folgenden bezieht sich Vorwärtsemission auf eine Richtung parallel zur Flächennormalen der Hauptfläche der Konversionsschicht, die von der Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips weg zeigt. Insbesondere kann der Grad der Umverteilung von kleinen Abstrahlwinkeln zu großen Abstrahlwinkeln beispielsweise durch die Anzahl, die Form, die laterale Ausdehnung und die Anordnung der Öffnungen im optischen Rückkoppelelement eingestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Fläche der durch die Vielzahl der Öffnungen freiliegenden Bereiche der Hauptfläche der Konversionsschicht weniger als 70% und/oder mehr als 5% der Hauptfläche der Konversionsschicht. Anders ausgedrückt liegt ein Bedeckungsgrad der Hauptfläche der Konversionsschicht bevorzugt zwischen einschließlich 30% und einschließlich 95%, wobei unbedeckte Bereiche der Hauptfläche der Konversionsschicht durch die Öffnungen im optischen Rückkoppelelement frei liegen. Besonders bevorzugt beträgt der Bedeckungsgrad der Hauptfläche der Konversionsschicht zwischen 50% und 90%. Somit liegen besonders bevorzugt zwischen 10% und 50% der Hauptfläche der Konversionsschicht durch die Öffnungen frei.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet die Vielzahl der Öffnungen eine periodische Anordnung. Insbesondere können die Öffnungen an den Knotenpunkten eines quadratischen Gitters angeordnet sein. Alternativ sind auch andere periodische Anordnungen, wie beispielsweise ein rechtwinkeliges, schiefwinkeliges hexagonales, oder zentriert-rechteckiges Gitter möglich. Beispielsweise werden die Öffnungen so angeordnet, dass die azimutale Verteilung der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung bezüglich einer Achse, die normal auf die Hauptfläche der Konversionsschicht steht, möglichst isotrop ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Rückkoppelement derart eingerichtet, dass eine Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Halbleiterelements nicht der Lambertschen Verteilung folgt. Insbesondere bewirkt das optische Rückkoppelelement eine Umverteilung der im Betrieb vom optoelektronischen Halbleiterelement ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung von kleinen Abstrahlwinkeln zu größeren Abstrahlwinkeln und somit zu einer Abweichung von der Lambertschen Verteilung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Rückkoppelement derart eingerichtet, dass eine Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Halbleiterelements in einer Abstrahlrichtung senkrecht zur Hauptfläche der Konversionsschicht ein lokales Minimum aufweist. Die Abstrahlcharakteristik gibt dabei insbesondere die Intensität der vom optoelektronischen Halbleiterelement im Betrieb abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung als Funktion des Abstrahlwinkels an. Beispielsweise zeigt die Abstrahlcharakteristik eine Batwing-Struktur, wobei ein Großteil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung nicht in Vorwärtsrichtung, also senkrecht zur Hauptfläche der Konversionsschicht, sondern zu von Null verschiedenen Abstrahlwinkeln abgestrahlt wird.

Beispielsweise weist die Abstrahlcharakteristik ein Maximum bei Abstrahlwinkeln zwischen 30 Grad und 60 Grad sowie ein lokales Minimum in Vorwärtsrichtung bei einem Abstrahlwinkel von 0 Grad auf, wobei die Intensität der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung im lokalen Minimum beispielsweise um mehr als 10% kleiner ist als am Maximum der AbstrahlCharakteristik .

Das optische Rückkoppelelement mit der Vielzahl von Öffnungen kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Abstrahlcharakteristik mit einer Batwing-Struktur zu erzeugen. Die Kombination aus Rückreflektion zumindest eines Teils der im Betrieb erzeugten ersten und/oder zweiten elektromagnetischen Strahlung in die Konversionsschicht und Streuung innerhalb der Konversionsschicht führt insbesondere zu einer verringerten Vorwärtsemission und somit zu einer verstärkten Seitenemission des optoelektronischen Halbleiterelements. Durch Reduzierung der lateralen Ausdehnung der Öffnungen und der damit einhergehenden Vergrößerung des Bedeckungsgrades der Hauptfläche der Konversionsschicht kann beispielsweise die Vorwärtsemission des optoelektronischen Halbleiterelements verringert werden. Entsprechend kann die durch Streuung in der Konversionsschicht umgelenkte elektromagnetische Strahlung insbesondere über Seitenflächen der Konversionsschicht ausgekoppelt werden, wodurch eine verstärkte Seitenemission des optoelektronischen Halbleiterelements erreicht wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt eine abgestrahlte Intensität der elektromagnetischen Strahlung im lokalen Minimum weniger als 75% einer abgestrahlten Intensität der elektromagnetischen Strahlung in eine Abstrahlrichtung mit maximaler abgestrahlter Intensität.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterelements zumindest ein Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung und/oder zumindest ein Teil der zweiten elektromagnetischen Strahlung über Seitenflächen der Konversionsschicht ausgekoppelt, die zur Hauptfläche der Konversionsschicht senkrecht stehen oder geneigt sind. Insbesondere führt eine Auskoppelung im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung über die Seitenflächen der Konversionsschicht zu einer erhöhten Seitenemission des optoelektronischen Halbleiterelements.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Halbleiterchip ein Flip-Chip. Insbesondere weist die Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips keine elektrischen Kontaktstellen auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Konversionsschicht eine Dicke von weniger als 1 Millimeter auf. Insbesondere erhöht ein optisches Rückkoppelelement mit einem großen Bedeckungsgrad der Hauptfläche der Konversionsschicht die mittlere optische Weglänge der elektromagnetischen Strahlung in der Konversionsschicht. Im Vergleich zu einem optoelektronischen Halbleiterelement ohne optischem Rückkoppelelement kann somit ein ähnlicher oder gleicher Konversionsgrad der ersten elektromagnetischen Strahlung bei geringerer Schichtdicke der Konversionsschicht erreicht werden.

Es wird ferner ein optoelektronisches Bauelement angegeben.

Gemäß einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement zumindest ein optoelektronisches Halbleiterelement auf. Insbesondere umfasst das zumindest eine optoelektronische Halbleiterelement einen Halbleiterchip, eine Konversionsschicht und ein optisches Rückkoppelelement. Das optoelektronische Bauelement kann insbesondere ein hier beschriebenes optoelektronische Halbleiterelement aufweisen. Das heißt, sämtliche für das optoelektronische Halbleiterelement beschriebenen Merkmale sind auch für das optoelektronische Bauelement offenbart und umgekehrt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optische Bauelement einen reflektierenden Träger mit einer Hauptfläche auf, auf der das zumindest eine optoelektronische Halbleiterelement aufgebracht wird. Der Träger ist insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterelements eingerichtet. Bevorzugt ist die Strahlungsauskoppelfläche des optoelektronischen Halbleiterelements dem Träger abgewandt. Die Hauptfläche des Trägers kann beispielsweise eine reflektierende Schicht oder eine reflektierende Schichtenfolge umfassen, die zumindest einen Teil der im Betrieb vom optoelektronischen Halbleiterelement erzeugten elektromagnetischen Strahlung reflektiert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen Rahmen mit einer reflektierenden Oberfläche auf, die zur Hauptfläche des Trägers geneigt ist. Die reflektierende Oberfläche des Rahmens umfasst beispielsweise eine metallische Schicht oder eine metallische Schichtenfolge, die zumindest einen Teil der im Betrieb vom optoelektronischen Halbleiterelement erzeugten elektromagnetischen Strahlung reflektiert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umgibt der Rahmen das zumindest eine optoelektronische Halbleiterelement lateral vollständig. Hier und im Folgenden wird mit lateral eine Richtung bezeichnet, die sich parallel zur Hauptfläche des reflektierenden Trägers erstreckt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform überragt der Rahmen das optoelektronische Halbleiterelement in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Trägers.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauelement einen Diffusor auf, der auf dem Rahmen angeordnet ist und das zumindest eine optoelektronische Halbleiterelement überdeckt. Der Diffusor umfasst ein lichtdurchlässiges Material, das zur Streuung zumindest eines Teils der im Betrieb vom optoelektronischen Halbleiterelement erzeugten elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist. Das optische Rückkoppelelement führt zu einer verstärkten Seitenemission des optoelektronischen Halbleiterelements und somit zu einer homogeneren Ausleuchtung des Diffusors durch im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterelements und des optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen .

Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel .

Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein optoelektronisches Halbleiterelement gemäß einem Ausführungsbeispiel .

Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei beispielhafte Strahlengänge erster und zweiter elektromagnetischer Strahlung schematisch gezeigt sind.

Figur 4 zeigt beispielhafte Abstrahlcharakteristiken von optoelektronischen Halbleiterbauelementen. Figur 5 zeigt Abstrahlcharakteristiken eines optoelektronischen Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel .

Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel .

Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, welches einen Halbleiterchip 1, eine Konversionsschicht 2 und ein optisches Rückkoppelelement 3 aufweist. Der Halbleiterchip 1 weist dabei eine Strahlungsauskoppelfläche 11 auf, über die im Betrieb eine erste elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich abgestrahlt wird. Die Strahlungsauskoppelfläche 11 entspricht bevorzugt einer Hauptfläche des Halbleiterchips 1. Des Weiteren weist der optoelektronische Halbleiterchip elektrische Kontaktstellen 12 auf, die bevorzugt auf einer Hauptfläche des Halbleiterchips angeordnet sind, die der Strahlungsauskoppelfläche 11 gegenüberliegt.

Auf der Strahlungsauskoppelfläche 11 ist eine Konversionsschicht 2 aufgebracht, die einen Leuchtstoff umfasst. Die Konversionsschicht 2 bedeckt dabei die Strahlungsauskoppelfläche 11 des Halbleiterchips 1 vollständig. Der Leuchtstoff ist zur Konversion zumindest eines Teils der ersten elektromagnetischen Strahlung 41 in eine zweite elektromagnetische Strahlung 42 eingerichtet. Die zweite elektromagnetische Strahlung 42 weist dabei einen zweiten Wellenlängenbereich auf, der vom ersten Wellenlängenbereich der ersten elektromagnetischen Strahlung 41 verschieden ist.

Die Konversionsschicht 2 weist eine Hauptfläche 21 auf, auf der ein optisches Rückkoppelelement 3 angeordnet ist. Das optische Rückkoppelelement 3 umfasst bevorzugt eine reflektierende Schicht oder eine reflektierende Schichtenfolge, die eine Vielzahl von Öffnungen 31 aufweist, durch die Bereiche der Hauptfläche 21 der Konversionsschicht 2 freiliegen. Insbesondere wird im Betrieb erzeugte erste und zweite elektromagnetische Strahlung 41, 42 zumindest teilweise über die Öffnungen 31 aus dem optoelektronischen Halbleiterelement ausgekoppelt. Zumindest ein Teil der im Betrieb erzeugten ersten und zweiten elektromagnetischen Strahlung 41, 42 wird auch über Seitenflächen 22 der Konversionsschicht ausgekoppelt.

Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein optoelektronisches Hableiterelement gemäß einem Ausführungsbeispiel. Insbesondere weist das optische Rückkoppelement 3 eine Vielzahl kreisförmiger Öffnungen 31 auf, die in einer periodischen Struktur angeordnet sind. Die Form der Öffnungen 31 ist dabei nicht auf kreisförmige Öffnungen beschränkt, vielmehr können die Öffnungen 31 in Draufsicht eine beliebige Form aufweisen. Des Weiteren ist die Anordnung der Vielzahl von Öffnungen 31 nicht auf eine periodische Struktur beschränkt. Vielmehr können die Öffnungen 31 beliebig, beispielsweise auch in einer aperiodischen Struktur angeordnet sein. Bevorzugt beträgt die Summe der Flächen der Öffnungen 31 zwischen 10% und 50% der Hauptfläche 21 der Konversionsschicht 2. Anders ausgedrückt, bedeckt das optische Rückkoppelelement 3 bevorzugt zwischen 50% und 90% der Hauptfläche 21 der Konversionsschicht 2, wobei die unbedeckten Bereiche der Konversionsschicht 2 durch die Öffnungen 31 freiliegen.

Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterelements, welches einen Halbleiterchip 1, eine Konversionsschicht 2 und ein optisches Rückkoppelelement 3 umfasst. Insbesondere sind beispielhafte Strahlengänge von im Betrieb erzeugter erster und zweiter elektromagnetischer Strahlung 41, 42 gezeigt. Erste elektromagnetische Strahlung 41 wird dabei von der Hauptfläche 11 des Halbleiterchips 1 emittiert. Zumindest ein Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung 41 wird in der Konversionsschicht 2 gestreut und/oder vom Leuchtstoff in zweite elektromagnetische Strahlung 42 konvertiert. Zumindest ein Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung 41 und/oder der zweiten elektromagnetische Strahlung 42 wird vom optischen Rückkoppelelement 3 zurück in die Konversionsschicht 2 reflektiert. Dadurch erhöht sich die mittlere optische Weglänge der ersten elektromagnetischen Strahlung 41 und/oder der zweiten elektromagnetischen Strahlung 42 in der Konversionsschicht 2.

Erste und zweite elektromagnetische Strahlung 41, 42 wird zumindest teilweise über die Öffnungen 31 des optischen Rückkoppelelements 3 und über die Seitenflächen 22 der Konversionsschicht 2 ausgekoppelt. Das optische Rückkoppelelement 3 bewirkt, dass zumindest ein Teil der vom optoelektronischen Halbleiterbauelement ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung von kleinen Abstrahlwinkeln zu größeren Abstrahlwinkel umverteilt wird. Dies hat eine verstärkte Seitenemission des optoelektronischen Halbleiterelements zur Folge. Die Abstrahlcharakteristik 43 des optoelektronischen Halbleiterelements folgt somit nicht mehr der Lambertschen Verteilung. Insbesondere weist die Abstrahlcharakteristik 43 eine Batwing-Struktur auf, das heißt ein größerer Anteil der ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung wird bei größeren Abstrahlwinkeln emittiert als in einer Richtung normal zur Hauptfläche 21 der Konversionsschicht 2.

Figur 4 zeigt schematische Abstrahlcharakteristiken 43 optoelektronischer Bauelemente. Insbesondere ist die Intensität der im Betrieb abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung als Funktion des Abstrahlwinkels gezeigt. Dabei ist der Abstrahlwinkel bezüglich der Flächennormalen der Hauptfläche 21 der Konversionsschicht 2 definiert. Die gestrichelte Linie entspricht einer Abstrahlcharakteristik, die der Lambertschen Verteilung folgt, wobei die abgestrahlte Intensität der elektromagnetischen Strahlung monoton mit dem Abstrahlwinkel abnimmt. Die durchgezogene Linie zeigt eine elliptische Abstrahlcharakteristik 43 eines optoelektronischen Halbleiterelements mit verstärkter Emission in Vorwärtsrichtung, das heißt parallel zur Flächennormalen der Hauptfläche 21 der Konversionsschicht 2. Im Gegensatz dazu zeigt die strichpunktierte Linie eine schematische Abstrahlcharakteristik 43 gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche eine Batwing-Struktur aufweist. Insbesondere weist die Abstrahlcharakteristik 43 ein lokales Minimum 44 in Vorwärtsrichtung auf. Figur 5 zeigt numerisch simulierte Abstrahlcharakteristiken 43 eines optoelektronischen Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Insbesondere zeigen die

Abstrahlcharakteristiken 43 eine Batwing-Struktur mit einem lokalen Minimum der Intensität der im Betrieb abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in Vorwärtsrichtung, sowie Maxima der Intensität bei einem Abstrahlwinkel von ungefähr 70 Grad. Die Intensität der in Vorwärtsrichtung abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung beträgt dabei ungefähr ein Sechstel der Intensität bei einem Abstrahlwinkels mit maximaler abgestrahlter Intensität.

Figur 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem

Ausführungsbeispiel. Das optoelektronische Bauelement weist ein optoelektronisches Halbleiterelement 5 auf, welches auf einer Hauptfläche 61 eines Trägers 6 angeordnet ist. Der Träger 6 weist bevorzugt eine reflektierende Hauptfläche 61 auf und ist zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterelements 5 eingerichtet. Das optoelektronische Halbleiterelement umfasst einen oberflächenemittierenden Halbleiterchip, eine Konversionsschicht, sowie ein darauf aufgebrachtes optisches Rückkoppelelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In lateraler Richtung ist das optoelektronische Halbleiterelement vollständig von einem Rahmen 7 umgeben, der eine reflektierende Oberfläche aufweist. Insbesondere überragt der Rahmen 7 das optoelektronische Halbleiterelement 5 in einer Richtung parallel zur Flächennormalen der Hauptfläche 61 des Trägers 6. Auf dem Rahmen 7 ist ein Diffusor 8 angeordnet, der das optoelektronische Halbleiterelement 5 vollständig überdeckt. Der Diffusor 8 umfasst ein lichtdurchlässiges Material und ist zur Streuung von im Betrieb erzeugter erster und zweiter elektromagnetischer Strahlung 41, 42 eingerichtet, die vom optoelektronischen Bauelement über den Diffusor 8 ausgekoppelt wird. Zwischen dem Träger 6, dem Rahmen 7 und dem Diffusor 8 bildet sich dabei ein Hohlraum 9, innerhalb dessen das optoelektronische Halbleiterelement 5 angeordnet ist.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102021119003.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. 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

1 Halbleiterchip

11 Strahlungsauskoppeltlache 12 Kontaktstelle

2 KonversionsSchicht

21 Hauptfläche der Konversionsschicht

22 Seitenfläche

3 optisches Rückkoppelelement 31 Öffnungen

41 erste elektromagnetische Strahlung

42 zweite elektromagnetische Strahlung

43 AbstrahlCharakteristik

44 lokales Minimum 5 optoelektronisches Halbleiterelement

6 Träger

61 Hauptfläche des Trägers

7 Rahmen

8 Diffusor 9 Hohlraum