DE102007004303A1

DE102007004303A1 - Dünnfilm-Halbleiterbauelement und Bauelement-Verbund

Info

Publication number: DE102007004303A1
Application number: DE102007004303A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dr. Hahn; Siegfried Herrmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-02-07
Also published as: US8872330B2; TWI378571B; JP2009545863A; KR101386303B1; WO2008014750A3; KR20090035040A; US20100163915A1; CN101542752B; JP5517616B2; TW200816524A; WO2008014750A2; EP2047525A2; CN101542752A

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Dünnfilm-Halbleiterbauelement mit einer Trägerschicht und einem auf der Trägerschicht angeordneten Schichtenstapel, der ein Halbleitermaterial enthält und zur Emission von Strahlung vorgesehen ist, wobei auf der Trägerschicht eine zur Kühlung des Halbleiterbauelements vorgesehene Wärmeableitungsschicht aufgebracht ist. Ferner beschreibt die Erfindung einen Bauelement-Verbund.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dünnfilm-Halbleiterbauelement und einen Bauelement-Verbund.
In der Offenlegungsschrift DE 100 40 448 A1 ist ein Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips in Dünnschichttechnik beschrieben. Auf einem Substrat wird ein Schichtenverbund aus einer aktiven Schichtenfolge und einer Grundschicht angeordnet. Ferner werden dem Schichtenverbund eine Verstärkungsschicht und eine Hilfsträgerschicht hinzugefügt, die auf galvanischem Wege auf die Grundschicht aufgebracht werden, bevor das Substrat abgelöst wird. Auf der Seite des abgelösten Substrats wird zur Handhabung der aus dem Schichtenverbund gebildeten Halbleiterchips eine Folie auflaminiert.
Ferner ist aus der Offenlegungsschrift DE 102 34 978 A1 ein obeflächenmontierbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterchip und zwei externen Anschlüssen bekannt, wobei die externen Anschlüsse an einer Folie angebracht sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dünnfilm-Halbleiterbauelement anzugeben, das bei geringer Bauhöhe vergleichsweise betriebsstabil ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bauelement-Verbund geringer Bauhöhe bei gleichzeitiger Betriebsstabilität anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch ein Dünnfilm-Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 und einen Bauelement-Verbund gemäß Patentanspruch 30 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Dünnfilm-Halbleiterbauelements sowie des Bauelement-Verbunds sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Dünnfilm-Halbleiterbauelement weist eine Trägerschicht und einen auf der Trägerschicht angeordneten Schichtenstapel auf, der ein Halbleitermaterial enthält und zur Emission von Strahlung vorgesehen ist, wobei auf der Trägerschicht eine zur Kühlung des Halbleiterbauelements vorgesehene Wärmeableitungsschicht aufgebracht ist.
Die Wärmeableitungsschicht ist dafür vorgesehen, die im Betrieb des Dünnfilm-Halbleiterbauelements entstehende Wärme zu absorbieren und aus dem Schichtenstapel beziehungsweise Bauelement abzuleiten. Vorzugsweise enthält die Wärmeableitungsschicht ein Material, das eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dies hat den Vorteil, dass einer Abnahme der Lichtausbeute, die durch die im Betrieb des Bauelements entstehende Wärme und eine damit verbundene Temperaturerhöhung verursacht wird, entgegengewirkt werden kann. Ferner ist es dadurch möglich, die Gefahr einer bei Temperaturerhöhung auftretenden Wellenlängenverschiebung der erzeugten Strahlung zu reduzieren. Die Wärmeübertragung zwischen dem Schichtenstapel und der Wärmeableitungsschicht kann durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung erfolgen.
Das Dünnfilm-Halbleiterbauelement zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist vorzugsweise eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
– die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines strahlungsemittierenden Dünnschicht-Halbleiterchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeableitungsschicht auf einer dem Schichtenstapel zugewandten Seite der Trägerschicht angeordnet. Insbesondere kann die Wärmeableitungsschicht auf der Trägerschicht fixiert sein.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeableitungsschicht zwischen dem Schichtenstapel und der Trägerschicht angeordnet. Mit Vorteil kann der Schichtenstapel auf der als Kühlelement dienenden Wärmeableitungsschicht montiert und mit dieser thermisch leitend verbunden sein, wobei die Wärmeableitungsschicht auf oder in der Trägerschicht integriert ist.
Bei einer besonderen Ausgestaltung ist die Wärmeableitungsschicht flächig ausgebildet. Dies bedeutet, dass die lateralen Abmessungen der Wärmeableitungsschicht größer sind als deren Höhe. Insbesondere weist die Wärmeableitungsschicht eine Grundfläche auf, die zumindest ebenso groß ist wie die Grundfläche des Schichtenstapels. Dabei hat die Grundfläche der Wärmeableitungsschicht nicht notwendigerweise eine rechteckförmige Gestalt, sondern kann beispielsweise auch schuppenartig ausgebildet sein, so dass insbesondere zwei die Grundfläche begrenzende Seitenkanten gekrümmt verlaufen. Weiterhin ist die Wärmeableitungsschicht vorzugsweise als geschlossene Fläche ausgebildet. Dies ist auch im Hinblick auf eine elektrische Kontaktierung des Dünnfilm-Halbleiterbauelements vorteilhaft, da bei einer elektrisch leitfähigen Wärmeableitungsschicht hierdurch eine homogene Stromeinprägung in den Schichtenstapel möglich ist. Bevorzugter Weise enthält die Wärmeableitungsschicht ein elektrisch leitendes Material. Insbesondere kann die Wärmeableitungsschicht in diesem Fall als elektrischer Kontakt dienen.
Besonders bevorzugter Weise ist die Wärmeableitungsschicht eine auf die Trägerschicht aufgebrachte Metallbeschichtung. Beispielsweise kann die Wärmeableitungsschicht Cu, Ni oder Ag enthalten.
Alternativ kann die Wärmeableitungsschicht ein elektrisch isolierendes Material, beispielsweise ein Keramikmaterial, enthalten.
Weiter bevorzugter Weise liegt die Dicke der Wärmeableitungsschicht im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich. Insbesondere kann die Dicke 5 μm bis 30 μm betragen.
Die Dicke der Wärmeableitungsschicht ist vorteilhafterweise derart bemessen, dass sie einerseits ausreichend dünn ist, um die Bauhöhe des Bauelements nicht wesentlich zu vergrößern, und andererseits ausreichend dick ist, um eine relativ gute Kühlung des Bauelements zu bewirken.
Gemäß einer weiteren Variante ist die Trägerschicht eine Folie. Insbesondere kann die Trägerschicht ein in Bahnen hergestelltes Kunststoffblatt sein. Eine ausreichende Stabilität kann trotz einer relativ geringen Dicke der Trägerschicht erreicht werden. Denn aufgrund der relativ geringen Dicke ist die Trägerschicht elastisch, wodurch die Gefahr von Rissbildungen reduziert ist. Unter einer relativ geringen Dicke sind im Rahmen der Erfindung bevorzugt 100 μm, besonders bevorzugt weniger als 100 μm zu verstehen.
Bevorzugter Weise enthält die Trägerschicht ein Kunststoffmaterial. Beispielsweise ist als Kunststoffmaterial ein Epoxidharz, PET (Polyethylenterephthalat) oder ein Polymer, insbesondere ein Polyimid geeignet.
Besonders bevorzugter Weise ist die Trägerschicht für die vom Schichtenstapel emittierte Strahlung transparent. Weiter bevorzugt ist die Wärmeableitungsschicht gegenüber dem Schichtenstapel versetzt. Dadurch kann die Strahlung durch die Trägerschicht auskoppeln, ohne von der Wärmeableitungsschicht reflektiert zu werden. Mittels einer transparenten Trägerschicht und Abdeckschicht, die nachfolgend näher beschrieben wird, kann das Dünnfilm- Halbleiterbauelement vorteilhafterweise beidseitig emittierend sein.
Weiterhin kann die Trägerschicht je nach Anwendung elektrisch leitend oder isolierend sein.
Der Schichtenstapel kann auf die Wärmeableitungsschicht geklebt oder gebondet sein. Bei einer möglichen Variante zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements werden ferner folgende Schritte durchgeführt:

– Ausbilden eines ein Halbleitermaterial enthaltenden Schichtenstapels auf einem Aufwachssubstrat,
– Aufbringen der Trägerschicht auf den Schichtenstapel,
– Ablösen des Aufwachssubstrats.

Es wird also auf der dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite des Schichtenverbunds die Trägerschicht aufgebracht, die dem Schichtenstapel nach dem Aufbonden auf die Trägerschicht anhaftet.
Ein Ablösen des Aufwachssubstrats ist auch ohne vorheriges Aufbringen der Trägerschicht auf den Schichtenstapel denkbar.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Bauelements ist auf einer der Trägerschicht gegenüber liegenden Seite des Schichtenstapels eine Abdeckschicht zur Abdeckung des Schichtenstapels angeordnet. Diese kann vorteilhafterweise einen Verguss ersetzen. Insbesondere ist die Abdeckschicht dazu geeigent, das Eindringen von Feuchtigkeit wirksam zu verhindern.
Gemäß einer ersten Variante ist die Abdeckschicht mittels eines Beschichtungsverfahrens, beispielsweise mittels des Vorhanggießverfahrens, auf den Schichtenstapel aufgebracht. Das Vorhanggießverfahren erlaubt vorteilhafterweise auch auf unebenen Oberflächen eine sehr gleichförmige Abdeckschicht.
Gemäß einer zweiten Variante ist die Abdeckschicht eine Folie.
Beispielsweise kann die Abdeckschicht auf der der Trägerschicht abgewandten Seite des Schichtenstapels als flexible Abdeckschicht aufgebracht und dann ausgehärtet werden. Alternativ kann die flexible Abdeckschicht in einem nicht vollständig ausgehärteten Zustand belassen werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Abdeckschicht aufzubringen, die eine Grundschicht und eine dem Schichtenverbund zugewandte Haftschicht aufweist, wobei die Haftschicht auf dem Schichtenverbund haftet.
Bevorzugter Weise enthält die Abdeckschicht ein transparentes Material. Die Abdeckschicht kann als Auskoppelschicht dienen.
Besonders bevorzugter Weise enthält die Abdeckschicht Glas oder Kunststoff.
Weiter bevorzugt weist die Abdeckschicht ein Konvertermaterial zur Konversion der vom Schichtenstapel emittierten Strahlung auf. Das Konvertermaterial ist dazu geeignet, zumindest einen Teil der von dem Schichtenstapel emittierten Strahlung zu größeren Wellenlängen hin zu konvertieren. Auf diese Weise kann insbesondere mit einem Schichtenstapel, der ultraviolette oder blaue Strahlung emittiert, durch Wellenlängenkonversion eines Teils der emittierten Strahlung in den komplementären Spektralbereich, beispielsweise den gelben Spektralbereich, Weißlicht erzeugt werden. Vorteilhafterweise ermöglicht eine derartige Ausgestaltung eine kostengünstige Nutzenmontage für weiße Dünnfilm-Halbleiterbauelemente.
Ein Schichtenstapel, der ultraviolette oder blaue Strahlung emittiert, weist insbesondere ein auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierendes Material auf. „Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. 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 sein können.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist die Abdeckschicht eine optische Struktur auf. Diese kann beispielsweise linsen-, prismen- oder pyramidenförmig ausgebildet sein, wodurch u.a. eine Bündelung der Strahlung oder Verbesserung der Strahlungsauskopplung möglich ist. Ferner kann die Abdeckschicht teilweise verspiegelt sein. Insbesondere weist die Abdeckschicht eine Verspiegelung auf, die in Kombination mit der der Abdeckschicht gegenüber liegenden Wärmeableitungsschicht, die dann insbesondere reflektierend ist, eine relativ homogene Strahlungsverteilung im Bauelement ermöglicht, so dass eine vergleichweise gleichmäßig leuchtende Fläche realisiert werden kann.
Die optische Struktur kann auf einer dem Schichtenstapel zugewandten oder abgewandten Seite der Abdeckschicht. angeordnet sein.
Eine beidseitige Anordnung der Trägerschicht und der Abdeckschicht kann vorteilhafterweise einen Gehäusekörper ersetzen.
Ferner ist es denkbar, dass die Abdeckschicht alleine ausreicht, um die mechanische Stabilität des Dünnfilm-Halbleiterbauelements zu gewährleisten. In diesem Falle kann die Trägerschicht am Ende des Herstellungsprozesses vollständig entfernt werden. Die Wärmeableitungsschicht kann dann als Montagefläche dienen. Weiterhin ist es möglich, die Trägerschicht teilweise zu entfernen. Ist die Trägerschicht elektrisch leitend, so kann es sinnvoll sein, die Trägerschicht im Bereich zwischen der Wärmeableitungsschicht und einem Kontaktpad zu entfernen, um im Betrieb des Dünnfilm-Halbleiterbauelements einen Kurzschluss zu vermeiden.
Während vorzugsweise auf einer der Trägerschicht zugewandten Seite des Schichtenstapels ein erster elekrischer Anschlussbereich vorgesehen ist, kann der Schichtenstapel auf einer der Trägerschicht abgewandten Auskoppelseite einen zweiten elektischen Anschlussbereich aufweisen. Zur strahlungsauskoppelseitigen Kontaktierung des Schichtenstapels verläuft vorzugsweise entlang einer dem Schichtenstapel zugewandten Oberfläche der Abdeckschicht mindestens eine Leiterbahn. Beispielsweise kann die Leiterbahn entlang der Abdeckschicht verlaufen. Insbesondere kann sich die Leiterbahn teilweise auf dem Schichtenstapel, teilweise auf der Trägerschicht erstrecken, wobei zwischen der Leiterbahn und dem Schichtenstapel eine Passivierungsschicht angeordnet ist.
Ferner kann die Leiterbahn selbsttragend ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Leiterbahn vorzugsweise mit einem auf der Trägerschicht angeordneten Kontaktpad verbunden und liegt auf der Passivierungsschicht auf. Das Kontaktpad weist besonders bevorzugt eine dem Schichtenstapel entsprechende Höhe auf, so dass die Leiterbahn im Wesentlichen parallel zur Strahlungsauskoppelfläche verläuft und ein darauf angeordneter elektrischer Anschlussbereich einfach kontaktierbar ist. Vorteilhafte Abmessungen der Leiterbahn liegen in der Größenordnung von 10 μm × 50 μm. Bei Hochstromanwendungen können die Abmessungen auch größer sein.
Im Rahmen der Erfindung ist eine drahtlose auskoppelseitige Kontaktierung bevorzugt. Dies wirkt sich positiv auf die Bauhöhe des Dünnfilm-Halbleiterbauelements aus, da die Leiterbahn im Vergleich zu einem Bonddraht flacher ist. Darüberhinaus ist eine drahtlose Kontaktierung im Hinblick auf eine in der Abdeckschicht stattfindende Wellenlängenkonversion von Vorteil.
Der zweite elektrische Anschlussbereich ist bei einer bevorzugten Variante als Kontaktstruktur ausgebildet, die ein Bondpad und Kontaktstege aufweist. Das Bondpad ist vorzugsweise in einem Randbereich der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet, so dass im zentralen Bereich der Strahlungsaustrittsfläche aus dem Schichtenstapel austretende Strahlung vorteilhaft nicht in dem Bondpad absorbiert wird. Die Anordnung des Bondpads in einem Randbereich der Strahlungsaustrittsfläche ist insbesondere so zu verstehen, dass der Mittelpunkt des Bondpads einen geringeren Abstand zu zumindest einer Seitenflanke des Schichtenstapels als zum Mittelpunkt der Strahlungsaustrittsfläche aufweist. Vorteilhaft ist es durch die Anordnung des Bondpads in einem Randbereich der Strahlungsaustrittsfläche im Gegensatz zu einem Chip mit einem zentral auf der Strahlungsaustrittsfläche angeordneten Bondpad nicht erforderlich, eine Leiterbahn über die Strahlungsaustrittsfläche zu dem Bondpad hinzuführen, wodurch eine Absorption der emittierten Strahlung auftreten würde. Insbesondere sind auf der Strahlungsaustrittsfläche mehrere mit dem Bondpad elektrisch leitend verbundene Kontaktstege angeordnet, durch welche trotz des in einen Randbereich der Strahlungsaustrittsfläche angeordneten Bondpads eine vergleichsweise homogene Stromverteilung in dem Schichtenstapel erreicht werden.
Vorzugsweise ist das Dünnfilm-Halbleiterbauelement vergleichsweise biegsam.
Ein erfindungsgemäßer Bauelement-Verbund weist mindestens zwei Dünnfilm-Halbleiterbauelemente gemäß mindestens einer der oben erwähnten Ausgestaltungen auf. Da die Dünnfilm-Halbleiterbauelemente vergleichsweise biegsam sind, können bei einer flächigen Anordnung der Dünnfilm-Halbleiterbauelemente mittels des Bauelement-Verbunds beliebige vorgegebene gekrümmte Leuchtflächen und somit verschiedenartige Leuchtfiguren realisiert werden. Denkbar ist u.a., den flächigen Bauelement-Verbund röhrenförmig zu biegen, so dass ein Leuchtzylinder entsteht.
Gemäß einer bevorzugten Variante weisen die Dünnfilm Halbleiterbauelemente eine gemeinsame Trägerschicht auf. Die Trägerschicht ist insbesondere gemäß einer der oben genannten Varianten ausgebildet.
Gemäß einer weiter bevorzugten Variante ist ein Kontaktpad für einen auskoppelseitigen elektrischen Kontakt der Schichtenstapel auf der Trägerschicht zwischen den Schichtenstapeln aufgebracht.
Die Dünnfilm-Halbleiterbauelemente können auf verschiedene Weise elektrisch verbunden sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Dünnfilm-Halbleiterbauelemente in Reihe geschaltet. Besonders bevorzugt ist hierbei der zweite Anschlussbereich eines ersten Dünnfilm-Halbleiterbauelements, beispielsweise mittels eines Bonddrahtes, mit der Wärmeableitungsschicht eines zweiten Dünnfilm-Halbleiterbauelements elektrisch verbunden, wobei die Wärmeableitungsschicht als elektrischer Kontakt dient. Alternativ können der erste und der zweite Anschlussbereich auf einer der Trägerschicht zugewandten Seite des Schichtenstapels angeordnet sein, wobei der erste Anschlussbereich mit einer ersten als elektrischer Kontakt dienenden Wärmeableitungsschicht und der zweite Anschlussbereich mit einer zweiten als elektrischer Kontakt dienenden Wärmeableitungsschicht elektrisch verbunden ist.
Ein erfindungsgemäßer Bauelement-Verbund ist insbesondere zur Hinterleuchtung, beispielsweise von LCD-Displays, geeignet. Vorteilhafterweise kann die Größe des Bauelement-Verbunds, das heißt die Anzahl der Dünnfilm-Halbleiterbauelemente, leicht variiert werden, da ein Durchtrennen aufgrund der flexiblen Trägerschicht und somit das Zerteilen in kleinere Bauelement-Verbünde keine großen Schwierigkeiten bereitet.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen des Dünnfilm-Halbleiterbauelements beziehungsweise des Bauelement-Verbunds ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 7 näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterbauelements,
2 eine schematische Schnittansicht des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterbauelements,
3 eine schematische Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterbauelements,
4 eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterbauelements,
5 eine schematische Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelement-Verbunds,
6a und 6b eine schematische Draufsicht eines zweiten und dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelement-Verbunds und 6c eine schematische Querschnittsansicht des in 6a dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels,
7 eine schematische Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelement-Verbunds.
In den Ausführungsbeispielen sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile der Figuren, insbesondere die Größen von dargestellten Schichtdicken, sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können sie zum besseren Verständnis teilweise übertrieben groß dargestellt sein.
Das in 1 dargestellte Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1 weist eine Abdeckschicht 10 auf. Diese kann einen Schichtenstapel 8 (s. 2) vor schädigender Feuchtigkeit schützen. Insbesondere ist die Abdeckschicht 10 durchlässig für die Strahlung, die von einer Halbleiter-Schichtenfolge 5 des Schichtenstapels 8 (s. 2) erzeugt wird. In diesem Falle dient die Abdeckschicht 10 gleichzeitig als Auskoppelschicht. Die Abdeckschicht 10 kann zur Änderung der Abstrahlcharakteristik des Dünnfilm-Halbleiterbauelements 1 eine optische Struktur aufweisen, die beispielsweise linsen-, prismen- oder pyramidenförmig ausgebildet ist. Ferner kann die Abdeckschicht 10 teilweise verspiegelt sein.
Weiterhin ist die Abdeckschicht 10 als elektrische Isolierung zwischen einer Wärmeableitungsschicht 3 und einer Leiterbahn 9 geeignet. Denn die Wärmeableitungsschicht 3 kann neben der thermischen Leitfähigkeit elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Um ferner einen Kurzschluss zwischen Halbleiterschichten eines unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der Halbleiter-Schichtenfolge 5 zu verhindern, ist zwischen der Leiterbahn 9 und der Halbleiter-Schichtenfolge 5 eine Passivierungsschicht 7 angeordnet. Diese enthält beispielsweise Siliziumoxid.
Die Schichtenfolge 5 ist im Wesentlichen zur Strahlungserzeugung vorgesehen. Die Schichtenfolge 5 kann einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen. Insbesondere ist die Schichtenfolge 5 substratlos, was bedeutet, dass ein zum Aufwachsen der Schichtenfolge 5 verwendetes Aufwachssubstrat im fertigen Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1 nicht mehr vorhanden ist.
Als elektrische Kontakte umfasst der Schichtenstapel 8 (s. 2) einen ersten elektrischen Anschlussbereich 5 und einen zweiten elektrischen Anschlussbereich 6, der strahlungsauskoppelseitig angeordnet ist.
Wie in 2 dargestellt ist der Schichtenstapel 8 auf einer Trägerschicht 2 angeordnet, die eine Wärmeableitungsschicht 3 aufweist. Insbesondere ist die Trägerschicht 2 eine Folie, auf welcher die Wärmeableitungsschicht 3 strukturiert wird, bevor der Schichtenstapel 8 auf die Wärmeableitungsschicht 3 montiert wird. Vorzugsweise wird der Schichtenstapel 8 auf die Wärmeableitungsschicht 3 aufgebondet.
Die Dicke D_W der Wärmeableitungsschicht 3 beträgt vorzugsweise zwischen 5 μm und 30 μm, wobei als Material ein Metall, beispielsweise Cu, Ni oder Ag, besonders geeignet ist.
Die Dicke D_S der Schichtenfolge 5 und des ersten elektrischen Anschlussbereichs 4, die ungefähr 7 μm beträgt, kann somit geringer sein als die Dicke D_W der Wärmeableitungsschicht 3.
Die geringen Dicken der Trägerschicht 2, der Wärmeableitungsschicht 3 und des Schichtenstapels 8 ermöglichen insgesamt ein Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1 geringer Bauhöhe. Es ist eine Bauhöhe D_ges erzielbar, die vorzugsweise unter 100 μm liegt. Dazu trägt ferner die Kombination aus Trägerschicht 2 und Abdeckschicht 10 bei, die einen Gehäusekörper ersetzen beziehungsweise ein Gehäuse für das Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1 bilden. Vorteilhafterweise erlaubt die geringe Bauhöhe eines einzelnen Dünnfilm-Halbleiterbauelements 1 eine Stapelung mehrerer Dünnfilm-Halbleiterbauelemente, wodurch die Leuchtdichte gesteigert werden kann.
Die Wärmeableitungsschicht 3, die sowohl zur Kühlung des Dünnfilm-Halbleiterbauelements 1 als auch für einen ersten elektrischen Anschluss vorgesehen ist, ragt, wie in 1 dargestellt, über den Schichtenstapel 8 hinaus und ist flächig ausgebildet. Im dargestellten Falle bedeckt die Wärmeableitungsschicht 3 vollständig eine Grundfläche des Schichtenstapels 8. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wärmeableitungsschicht 3 gegenüber dem Schichtenstapel versetzt ist, so dass die von der Schichtenfolge emittierte Strahlung direkt zum Träger 2 gelangt. Die Leiterbahn 9, die für einen zweiten elektrischen Anschluss vorgesehen ist, verläuft vorzugsweise stufenförmig. Insbesondere wird die Leiterbahn vom ersten elektrischen Anschlussbereich 6 entlang einer Strahlungsauskoppelfläche 11 über eine Seitenfläche des Schichtenstapels 8 auf die Trägerschicht 2 geführt.
Die Wärmeableitungsschicht 3 und die Leiterbahn 9 stehen gegenüber der Trägerschicht 2 beziehungsweise der Abdeckschicht 10 in lateraler Richtung derart hervor, dass deren elektrische Verbindung mit einer Spannungsversorgung auf einfache Weise möglich ist.
Es ist denkbar, die Leiterbahn 9 direkt auf den Schichtenstapel 8 und die Trägerschicht 2 aufzubringen. Alternativ kann die Leiterbahn auf der Abdeckschicht 10 angeordnet sein.
Das in 3 in Draufsicht schematisch dargestellte Dünnfilm-Bauelement 1 umfasst eine Trägerschicht 2, auf welcher die Wärmeableitungsschicht 3 und der Schichtenstapel 8 angeordnet sind. Ferner weist die Trägerschicht 2 ein Kontaktpad 12 auf, mit welchem die Leiterbahn 9 elektrisch verbunden ist.
Der auskoppelseitige zweite elektrische Anschlussbereich 6 ist in Form einer Kontaktstruktur ausgebildet, die ein Bondpad 6a und mehrere zur Stromaufweitung vorgesehene Kontaktstege 6b aufweist, die mit dem Bondpad elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Bondpad 6a in einem Randbereich der Strahlungsaustrittsfläche 11 (s. 2) angeordnet ist.
Der zweite elektrische Anschlussbereich 6 sowie die Leiterbahn 9, wie in den 1 bis 5 dargestellt, enthalten zweckmäßierweise ein elektrisch leitendes Material.
Dieses kann ein Metall oder ein TCO (Transparent Conductive Oxide) sein.
Bei dem in 4 dargestellten Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1 erfolgt eine auskoppelseitige elektrische Kontaktierung wie bei dem in 3 dargestellten Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1. Die Leiterbahn 9 verläuft im Wesentlichen parallel zur Strahlungsauskoppelfläche 11. Ferner sind die Strahlungsauskoppelfläche 11 und eine der Strahlungsauskoppelfläche 11 zugewandte Oberfläche der Abdeckschicht 10 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dadurch kann eine planare Bauform des Dünnfilm-Halbleiterbauelements 1 erzielt werden.
Der Schichtenstapel 8 weist an der Oberfläche einen nahezu vollständigen Überzug auf, welcher aus der Passivierungsschicht 7 gebildet ist. Weiterhin kann zur elektrischen Isolierung zwischen der Trägerschicht 2 und der Abdeckschicht 10 eine Füllschicht (nicht dargestellt) eingebracht sein, die ferner die Trägerschicht 2 und die Abdeckschicht 10 zusammenhält.
Es ist denkbar, die Trägerschicht 2 am Ende des Herstellungsprozesses zumindest teilweise zu entfernen. Die Trägerschicht 2 kann elektrisch leitend sein, so dass es sinnvoll ist, die Trägerschicht im Bereich zwischen der Wärmeableitungsschicht 3 und dem Kontaktpad 12 zu entfernen, um im Betrieb des Dünnfilm-Halbleiterbauelements 1 einen Kurzschluss zu vermeiden. Das Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1 kann bei dieser Variante entsprechend einem SMT-Bauelment mit der strukturierten Trägerschicht 2 auf eine Leiterplatte gelötet oder geklebt werden.
Der in 5 dargestellte Bauelement-Verbund 13 weist eine Mehrzahl von Schichtenstapeln 8 auf, die vorzugsweise wie im Zusammenhang mit den 2 und 3 näher beschrieben ausgebildet sind. Die Schichtenstapel 8 sind auf einer gemeinsamen Trägerschicht 2 angeordnet. Ferner sind die Schichtenstapel 8 mittels der Leiterbahnen 9 an ein gemeinsames Kontaktpad 12 angeschlossen, welches auf der Trägerschicht 2 angeordnet ist. Die Größe des Bauelement-Verbunds 13 kann durch einfaches Zerteilen des Bauelement-Verbunds 13 variiert werden. Der Bauelement-Verbund 13 ist besonders geeignet für Hinterleuchtungs- und Beleuchtungszwecke.
In den 6a und 6b sind Bauelement-Verbünde 13 dargestellt, die mehrere Dünnfilm-Halbleiterbauelemente 1 aufweisen. Die Dünnfilm-Halbleiterbauelemente 1 umfassen jeweils einen Schichtenstapel 8 und einen Teil des gemeinsamen Trägers 2, auf welchem die Schichtenstapel 8 angeordnet sind. Zwischen den Schichtenstapeln 8 und dem Träger 2 befindet sich jeweils eine Wärmeableitungsschicht 3, die hier außer zur Kühlung als elektrischer Kontakt dient. Von einer Vorderseite eines ersten Dünnfilm-Halbleiterbauelements 1 führt ein Bonddraht 14 zur rückseitig angeordneten Wärmeableitungsschicht 3 eines dem ersten Dünnfilm-Halbleiterbauelement 1 benachbarten zweiten Dünnfilm-Halbleiterbauelements 1. Dadurch sind die beiden Dünnfilm-Halbleiterbauelemente 1 in Reihe geschaltet. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Dünnfilm-Halbleiterbauelemente 1 kann applikationsbedingt beliebig groß gewählt werden.
Die Schichtenstapel 8 sind auf der jeweiligen Wärmeableitungsschicht 3 dezentral angeordnet, wodurch im Vergleich zu einer mittigen Anordnung eine verbesserte vorderseitige Kontaktierung der Schichtenstapel 8 möglich ist.
Die Grundfläche der Wärmeableitungsschicht 3 ist schuppenartig ausgebildet und weist insbesondere eine eingebuchtete Seitenkante und eine dieser gegenüber liegende ausgebuchtete Seitenkante auf. Der Schichtenstapel 8 ist vorzugsweise an der eingebuchteten Seitenkante angeordnet, da hier die Stromeinprägung besser ist als bei der ausgebuchteten Seitenkante.
Wie in 6b dargestellt kann ein Teil der Wärmeableitungsschichten 3 frei sein von Schichtenstapeln 8. Trotzdem sind die unbestückten Wärmeableitungsschichten 3 vorzugsweise in die Reihenschaltung eingebunden, so dass vorteilhafterweise auch ein von unbestückten Wärmeableitungsschichten 3 umgebener Schichtenstapel 8 vergleichsweise einfach elektrisch versorgt werden kann. Durch einen Wechsel von bestückten und unbestückten Wärmeableitungsschichten 3 können mit Vorteil verschiedenartige Leuchtmuster erzeugt werden.
6c zeigt eine Querschnittsansicht des im Zusammenhang mit 6a bereits beschriebenen Bauelement-Verbunds 13.
Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Bauelement-Verbund 13 mehrere Schichtenstapel 8, die auf einem gemeinsamen Träger 2 angeordnet sind und jeweils mit einer ersten Wärmeableitungsschicht 3 und einer der ersten Wärmeableitungsschicht 3 benachbarten zweiten Wärmeableitungsschicht 3 mechanisch und elektrisch verbunden sind. Beide elektrischen Kontakte befinden sich hierbei auf der den jeweiligen Wärmeableitungsschichten 3 zugewandten Seite des Schichtenstapels 8. Somit werden jeweils zwei benachbarte Wärmeableitungsschichten 3 durch einen Schichtenstapel 8 überbrückt. Gleichzeitig kann durch eine lückenlose Überbrückung benachbarter Wärmeableitungsschichten 3 mittels einer Mehrzahl von Schichtenstapeln 8 eine Reihenschaltung der Schichtenstapel 8 erfolgen.
Vorteilhafterweise erfordern die im Rahmen der Erfindung verwendeten Methoden zur drahtlosen Kontaktierung keinen justierten Bondprozess. Weiterhin ermöglicht die Anordnung der als Leiterbahn dienenden Wärmeableitungsschicht und der weiteren Leiterbahn auf einer Seite des Bauelements eine einfache Kontaktierung des Dünnfilm-Halbleiterbauelements.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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.

Claims

Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) mit einer Trägerschicht (2) und einem auf der Trägerschicht (2) angeordneten Schichtenstapel (8), der ein Halbleitermaterial enthält und zur Emission von Strahlung vorgesehen ist, wobei auf der Trägerschicht (2) eine zur Kühlung des Dünnfilm-Halbleiterbauelements (1) vorgesehene Wärmeableitungsschicht (3) aufgebracht ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) auf einer dem Schichtenstapel (8) zugewandten Seite der Trägerschicht (2) angeordnet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) zwischen dem Schichtenstapel (8) und der Trägerschicht (2) angeordnet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) flächig ausgebildet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 4, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) eine Grundfläche aufweist, die zumindest ebenso groß ist wie die Grundfläche des Schichtenstapels (8).
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) ein elektrisch leitendes Material enthält.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 6, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) eine auf die Trägerschicht (2) aufgebrachte Metallbeschichtung ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) mindestens eines der Materialien Cu, Ni oder Ag enthält.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) eine Dicke (D_W) im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich aufweist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 9, wobei die Dicke (D_W) 5 μm bis 30 μm beträgt.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) ein elektrischer Kontakt ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Trägerschicht (2) eine Folie ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (2) ein Kunststoffmaterial enthält.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 13, wobei die Trägerschicht (2) Polyimid enthält.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitungsschicht (3) gegenüber dem Schichtenstapel (8) versetzt ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (2) eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich 100 μm ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtenstapel (8) auf die Wärmeableitungsschicht (3) geklebt oder gebondet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer der Trägerschicht (2) gegenüber liegenden Seite des Schichtenstapels (8) eine Abdeckschicht (10) zur Abdeckung des Schichtenstapels (8) angeordnet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 18, wobei die Abdeckschicht (10) eine Folie ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Abdeckschicht (10) ein transparentes Material enthält.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 20, wobei die Abdeckschicht (10) Glas oder Kunststoff enthält.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Abdeckschicht (10) ein Konvertermaterial enthält.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die Abdeckschicht (10) eine optische Struktur aufweist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 23, wobei die optische Struktur auf einer dem Schichtenstapel (8) zugewandten oder abgewandten Seite der Abdeckschicht (10) angeordnet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 23 oder 24, wobei die optische Struktur linsen-, prismen- oder pyramidenförmig ausgebildet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Abdeckschicht (10) teilweise verspiegelt ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtenstapel (8) auf einer der Trägerschicht (2) zugewandten Seite einen ersten elektrischen Anschlussbereich (4) und auf einer der Trägerschicht (2) abgewandten Auskoppelseite einen zweiten elektrischen Anschlussbereich (6) aufweist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 27, wobei der zweite elektrische Anschlussbereich (6) als Kontaktstruktur ausgebildet ist, die ein Bondpad (6a) und Kontaktstege (6b) aufweist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 27 oder 28 und einem der auf Anspruch 18 rückbezogenen Ansprüche, wobei entlang einer dem Schichtenstapel (8) zugewandten Oberfläche der Abdeckschicht (10) mindestens eine Leiterbahn (9) verläuft, die mit dem zweiten elektrischen Anschlussbereich (6) elektrisch leitend verbunden ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 29, wobei die Leiterbahn (9) auf der Abdeckschicht (10) aufgebracht ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 29, wobei die Leiterbahn (9) selbsttragend ausgebildet ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 31, wobei die Leiterbahn (9) mit einem auf der Trägerschicht (2) angeordneten Kontaktpad (12) verbunden ist.
Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dünnfilm-Halbleiterbauelement (1) biegsam ist.
Bauelement-Verbund (13), der mindestens zwei Dünnfilm-Halbleiterbauelemente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 33 aufweist.
Bauelement-Verbund (13) nach Anspruch 34, wobei die Dünnfilm-Halbleiterbauelemente (1) eine gemeinsame Trägerschicht (2) aufweisen.
Bauelement-Verbund (13) nach Anspruch 35, wobei ein gemeinsames Kontaktpad (12) für einen auskoppelseitigen elektrischen Kontakt der Schichtenstapel (8) auf der Trägerschicht (2) zwischen den Schichtenstapeln (8) aufgebracht ist.
Bauelement-Verbund (13) nach Anspruch 34 oder 35, wobei die Dünnfilm-Halbleiterbauelemente (1) in Reihe geschaltet sind.