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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode angegeben. Darüber hinaus wird eine Leuchtdiode angegeben, die mit einem solchen Verfahren hergestellt werden kann.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode anzugeben, das besonders kostengünstig durchgeführt werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode wird in einem Verfahrensschritt zumindest ein Leuchtdiodenchip bereitgestellt. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips bereitgestellt. Die Vielzahl von Leuchtdiodenchips ist dabei insbesondere gleichartig aufgebaut. Das heißt im Rahmen der Herstellungstoleranz weisen die Leuchtdiodenchips einen gleichen physikalischen Aufbau auf und im Rahmen der Herstellungstoleranz emittieren die Leuchtdiodenchips im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einem gleichen Spektrum. Die Leuchtdiodenchips können dabei auf einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial, insbesondere auf einem Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial, basieren. Die Leuchtdiodenchips sind im Betrieb beispielsweise zur Erzeugung von UV-Strahlung und/oder blauem Licht geeignet.
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Ein III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff ”III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial” die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
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”Auf Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass eine Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone und/oder der Aufwachssubstratwafer, ein Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamInl-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, 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 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.
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Der zumindest eine Leuchtdiodenchip umfasst eine Außenfläche, die ihn nach außen begrenzt. Im Betrieb des Leuchtdiodenchips tritt zumindest ein Teil der im Leuchtdiodenchip erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch zumindest einen Teil der Außenfläche aus.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem eine Suspension bereitgestellt wird, die ein Lösungsmittel und Partikel zumindest eines Leuchtstoffes enthält.
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Bei dem Lösungsmittel kann es sich beispielsweise um Wasser oder ein organisches Lösungsmittel handeln. Geeignete organische Lösungsmittel sind zum Beispiel Alkohole, wie beispielsweise Ethanol oder 2-Propanol, Ketone, Aldehyde, aromatische Lösungsmittel, wie beispielsweise Benzol, Toluol, Xylole, und hologenierte aliphatische Kohlenwasserstoffe. Ferner sind Gemische von zumindest zwei der genannten Lösungsmittel als Lösungsmittel verwendbar.
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Die Suspension umfasst weiter Partikel zumindest eines Leuchtstoffs. Bei dem Leuchtstoff kann es sich beispielsweise um einen keramischen Leuchtstoff wie einen der folgenden Leuchtstoffe handeln: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Sialone.
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Besonders geeignete Leuchtstoffe sind Granate, Aluminate, Nitride und Mischungen von zumindest zwei dieser Leuchtstoffe. Beispielsweise können Partikel der folgenden Leuchtstoffe zum Einsatz kommen: (Y, Lu)3(Al, Ga)8O12:Ce3+, CaAlSiN3:Eu2 +, (Ba, Sr)2Si5Ng:Eu2+.
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Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem Leuchtstoff um einen so genannten Nano-Leuchtstoff handelt, bei dem Partikel des Leuchtstoffs Durchmesser zwischen beispielsweise wenigstens 1 nm und höchstens 100 nm aufweisen können. Nano-Leuchtstoffe sind zum Beispiel in der Druckschrift
US 2009/0173957 beschrieben, die hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
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Ferner ist es möglich, dass der Leuchtstoff mit Quantenpunkten gebildet ist. Geeignete Materialien sind hier beispielsweise PbS oder CdS. Insbesondere können die Quantenpunkte auf III-V- oder II-VI-Verbindungs-Halbeitermaterialien basieren. Ein II-VI-Verbindungs-Halbleitermaterial weist insbesondere wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise O, S, Se, auf. Insbesondere umfasst ein II-VI-Verbindungs-Halbleitermaterial eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterialien: ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
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Der Leuchtstoff ist dabei insbesondere zur so genannten Abwärtskonversion geeignet. Das heißt, Primärstrahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich wird vom Leuchtstoff absorbiert und Sekundärstrahlung aus einem zweiten Wellenlängenbereich wird vom Leuchtstoff emittiert, wobei der zweite Wellenlängenbereich Wellenlängen umfasst, die größer sind als der erste Wellenlängenbereich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem der zumindest eine Leuchtdiodenchip in der Suspension angeordnet wird. Für den Fall, dass eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips zur Verfügung gestellt wird, wird die Vielzahl von Leuchtdiodenchips bevorzugt gemeinsam in der Suspension angeordnet. Die in der Suspension angeordneten Leuchtdiodenchips werden zumindest stellenweise von der Suspension benetzt. Das heißt, die Suspension benetzt und grenzt damit direkt zumindest stellenweise an die Außenfläche des zumindest einen Leuchtdiodenchips. Dabei ist es auch möglich, dass der zumindest eine Leuchtdiodenchip nur teilweise in der Suspension angeordnet wird, das heißt ein Teil des Leuchtdiodenchips – beispielsweise eine Strahlungsdurchtrittsfläche – werden von der Suspension benetzt, ein anderer Teil des Leuchtdiodenchips, beispielsweise elektrische Anschlussflächen des Leuchtdiodenchips – werden nicht in der Suspension angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs aus der Suspension elektrophoretisch auf einer Außenfläche des zumindest einen Leuchtdiodenchips abgeschieden. Dazu wird der zumindest eine Leuchtdiodenchip beispielsweise elektrisch kontaktiert, er stellt auf diese Weise eine erste Elektrode dar. An einer anderen Stelle in der Suspension wird eine zweite Elektrode, die Gegenelektrode, angebracht. Die Partikel in der Suspension tragen zum Beispiel Ladungen auf ihrer Oberfläche. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung bewegen sich die Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs im elektrischen Feld in Richtung der von der Suspension bedeckten und elektrisch leitenden Teile des zumindest einen Leuchtdiodenchips. Auf den elektrisch leitenden Teilen des Leuchtdiodenchips werden dann die Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs abgeschieden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Leuchtdiode in einem abschließenden Verfahrensschritt hergestellt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Leuchtdiodenchips in einem Gehäuse der Leuchtdiode angeordnet werden und elektrisch leitend mit elektrischen Anschlussstellen oder Leiterbahnen des Gehäuses verbunden werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
– Bereitstellen zumindest eines Leuchtdiodenchips,
– Bereitstellen einer Suspension, umfassend ein Lösungsmittel und Partikel zumindest eines Leuchtstoffs,
– Anordnen des zumindest einen Leuchtdiodenchips in der Suspension,
– elektrophoretisches Abscheiden der Partikel auf einer Außenfläche des zumindest einen Leuchtdiodenchips,
– Fertigstellen der Leuchtdiode.
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Die fertiggestellte Leuchtdiode weist zumindest einen Leuchtdiodenchip auf, bei dem Partikel zumindest eines Leuchtstoffes elektrophoretisch auf zumindest einem Teil des Leuchtdiodenchips abgeschieden sind. Beispielsweise mischt sich im Betrieb der Leuchtdiode vom Leuchtdiodenchip erzeugtes blaues Licht mit von den Partikeln des zumindest einen Leuchtstoffs emittierten gelbem und/oder grünem und/oder rotem Licht. Auf diese Weise kann die Leuchtdiode dann dazu geeignet sein, im Betrieb weißes Licht abzustrahlen.
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Mit Vorteil kann bei einem hier beschriebenen Verfahren die auf dem zumindest einen Leuchtdiodenchip abgeschiedene Schicht mit Partikeln zumindest eines Leuchtstoffs bezüglich ihrer Zusammensetzung, ihres Aufbaus und ihrer Dicke durch Beeinflussung der Prozessparameter des elektrophoretischen Abscheidens gezielt ausgebildet werden. Beispielsweise kann mittels Erhöhen der Spannung beim elektrophoretischen Abscheiden die Dichte der Partikel des Leuchtstoffs, die auf der Außenfläche des Leuchtdiodenchips abgeschieden werden, erhöht werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich die Anordnung der Partikel mit einer Änderung der Spannung ändert. Beispielsweise kann mittels Erhöhen der Spannung die Abscheide-Geschwindigkeit und damit die Dicke der abgeschiedenen Schicht erhöht werden. Durch Prozessparameter wie die elektrische Spannung, den Elektrodenabstand beim elektrophoretischen Abscheiden, die Temperatur und die Abscheidezeit kann die Dicke der abgeschiedenen Schicht aus Partikeln des zumindest einen Leuchtstoffs sehr genau kontrolliert und eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich ein gewünschter Konversionsgrad für das vom Leuchtstoff konvertierte Licht einstellen.
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Im Vergleich zu alternativen Verfahren zur Aufbringung von Partikeln eines Leuchtstoffs auf die Außenfläche eines Leuchtdiodenchips, wie beispielsweise das Vergießen des Leuchtdiodenchips mit einem Matrixmaterial wie Silikon, das Partikel eines Leuchtstoffs enthält, oder das Aufbringen von Plättchen mit oder aus einem Leuchtstoff auf Teile der Außenfläche eines Leuchtdiodenchips, kann das hier beschriebene Verfahren gleichzeitig für eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips und damit besonders kostengünstig durchgeführt werden.
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Es wird weiter eine Leuchtdiode angegeben. Die Leuchtdiode kann mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für das Verfahren offenbarten Merkmale sind auch für die Leuchtdiode offenbart und umgekehrt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst diese zumindest einen Leuchtdiodenchip, der zumindest eine Außenfläche aufweist, durch die im Betrieb des Leuchtdiodenchips im Leuchtdiodenchip erzeugte elektromagnetische Strahlung den Leuchtdiodenchip verlässt. Beispielsweise kann die Außenfläche durch eine Hauptfläche des Leuchtdiodenchips gebildet sein. Auf die Außenfläche oder zumindest Teile davon sind Partikel zumindest eines Leuchtstoffs elektrophoretisch abgeschieden. Die elektrophoretisch abgeschiedene Schicht aus Partikeln lässt sich dabei eindeutig – beispielsweise elektronenmikroskopisch – von Schichten mit Partikeln zumindest eines Leuchtstoffs unterscheiden, die mittels anderer Verfahren wie beispielsweise Sol-Gel-Verfahren, auf die Außenfläche aufgebracht sind. Bei dem Merkmal ”elektrophoretisch abgeschieden” handelt es sich daher um ein strukturelles Merkmal, das zur Charakterisierung des Gegenstands, das heißt der Leuchtdiode, geeignet ist.
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Die folgenden Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele beziehen sich sowohl auf das Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode als auch auf die Leuchtdiode selbst. Damit sind die folgenden Merkmale sowohl für das hier beschriebene Verfahren als auch für die hier beschriebene Leuchtdiode offenbart.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Leuchtdiodenchips beim elektrophoretischen Abscheiden im Verbund vor und werden nach dem elektrophoretischen Abscheiden zu einzelnen Leuchtdiodenchips vereinzelt. Bei dem Verbund kann es sich beispielsweise um einen Waferverbund handeln. Das heißt, die beispielsweise epitaktisch gewachsenen Leuchtdiodenchips werden vor dem elektrophoretischen Abscheiden nicht in einzelne Chips vereinzelt, sondern der gesamte Wafer wird zumindest stellenweise in der Suspension aus Partikeln zumindest eines Leuchtstoffs und Lösungsmitteln angeordnet und elektrophoretisch mit den Partikeln beschichtet. Anschließend kann ein Vereinzeln des Verbunds zu einzelnen Leuchtdiodenchips beispielsweise durch Ritzen und Brechen erfolgen. Seitenflächen der beschichteten Leuchtdiodenchips können dann im Bereich der Schicht aus Partikeln zumindest eines Leuchtstoffs Spuren des Vereinzelungsprozesses aufweisen.
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Bei dem Verbund, in dem die Leuchtdiodenchips beim elektrophoretischen Abscheiden vorliegen können, kann es sich ferner um einen so genannten ”Kunst-Wafer” handeln. Das heißt, die Leuchtdiodenchips werden zunächst aus dem Waferverbund vereinzelt und vor dem elektrophoretischen Abscheiden auf einen Hilfsträger aufgebracht. Auf diesen Hilfsträger können die Leuchtdiodenchips beispielsweise vorsortiert aufgebracht werden. Die Leuchtdiodenchips können beispielsweise hinsichtlich des Spektrums des von ihnen im Betrieb erzeugten Lichts vorsortiert werden. Mit anderen Worten kann eine Klasseneinteilung (das so genannte ”Binning”) der Leuchtdiodenchips vor dem elektrophoretischen Abscheiden der Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs erfolgen. Auf diese Weise werden mit Leuchtstoff beschichtete Leuchtdiodenchips erzeugt, die aufgrund ihrer sehr ähnlichen Primärstrahlung und den einheitlichen Bedingungen beim elektrophoretischen Abscheiden der Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs sich hinsichtlich des von ihnen im Betrieb emittierten Mischlichts nicht oder kaum unterscheiden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jeder Leuchtdiodenchip beim elektrophoretischen Abscheiden in einem Gehäuse angeordnet. Die Leuchtdiodenchips können dabei ebenfalls im Verbund vorliegen. Beispielsweise liegen mehrere Leuchtdiodenchips in einem einzigen Gehäuse im Verbund vor. Darüber hinaus ist es möglich, dass mehrere Gehäuse mit jeweils zumindest einem Leuchtdiodenchip im Verbund zumindest stellenweise in die Suspension eingebracht werden. Die Gehäuse können dazu beispielsweise auf einem gemeinsamen Hilfsträger angeordnet sein. Bei dem Gehäuse kann es sich beispielsweise um einen Anschlussträger, wie etwa eine Metallkernplatine, eine Leiterplatte, eine bedruckte Leiterplatte (PCB), einen metallisierten Keramikträger oder Ähnliches handeln. Ferner ist es möglich, dass das Gehäuse durch einen mit Kunststoff umspritzten Leiterrahmen gebildet ist. Das Gehäuse kann weiter beispielsweise eine Kavität aufweisen, in der zumindest einer der Leuchtdiodenchips angeordnet ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das elektrophoretische Abscheiden der Partikel stellenweise auf eine Außenfläche des Gehäuses. Das heißt, die Partikel werden dann nicht nur auf eine Außenfläche des Leuchtdiodenchips abgeschieden, sondern die Partikel werden auch auf freiliegende Leiterbahnen, Anschlussstellen oder andere elektrisch leitende Teile der Außenfläche des Gehäuses abgeschieden. Auf diese Weise können diese Bereiche des Gehäuses mit dem Leuchtstoff beschichtet werden. Vom Leuchtdiodenchip im Betrieb emittierte Strahlung, die unkonvertiert auf derart beschichtete Flächen trifft, kann eine Konversion erfahren. Auf diese Weise kann die Abstrahlfläche des konvertierten Anteils des von der Leuchtdiode im Betrieb erzeugten Lichts vorteilhaft erhöht sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf Teile der Außenfläche jedes Leuchtdiodenchips und/oder des Gehäuses vor dem elektrophoretischen Abscheiden ein elektrisch isolierendes Schutzmaterial aufgebracht, das nach dem elektrophoretischen Abscheiden entfernt wird. Im Bereich dieses elektrisch isolierenden Schutzmaterials lagern sich Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs während der elektrophoretischen Abscheidung kaum oder gar nicht ab. Ist es beispielsweise nicht erwünscht, dass elektrisch leitende Flächen des Chips – wie beispielsweise Kontaktschichten oder Bondpads – oder elektrisch leitende Bereiche wie Anschlussstellen und Leiterbahnen des Gehäuses nicht von den Partikeln des Leuchtstoffs bedeckt werden, so können diese Flächen vor dem Abscheiden mit dem elektrisch isolierenden Schutzmaterial bedeckt werden. Bei dem elektrisch isolierenden Schutzmaterial handelt es sich beispielsweise um einen Fotolack. Der Fotolack bedeckt Teile der Außenfläche jedes Leuchtdiodenchips und/oder des Gehäuses. Stellen des Fotolacks, welche die Leuchtdiodenchips und/oder das Gehäuse nicht bedecken sollen, können belichtet werden und nasschemisch entfernt werden. Dort, wo der Fotolack als elektrisch isolierendes Schutzmaterial verbleibt, wird beim nachfolgenden elektrophoretischen Abscheiden kein Leuchtstoffmaterial abgeschieden. Der Fotolack beziehungsweise das elektrisch isolierende Schutzmaterial kann anschließend entfernt werden. Die Stellen, von denen das elektrisch isolierende Schutzmaterial entfernt wird, sind anschließend frei von Partikeln des zumindest einen Leuchtstoffs.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgen nach dem Entfernen des elektrisch isolierenden Schutzmaterials die folgenden Verfahrensschritte vor dem Fertigstellen der Leuchtdiode:
Zunächst wird eine weitere Suspension bereitgestellt, die ein Lösungsmittel und Partikel zumindest eines weiteren Leuchtstoffs enthält. Zumindest einer der weiteren Leuchtstoffe unterscheidet sich dabei von den Leuchtstoffen, die in der ersten Suspension enthalten sind. Bei dem Lösungsmittel kann ein gleiches oder ein anderes Lösungsmittel wie in der ersten Suspension gewählt werden. Anschließend wird der zumindest eine Leuchtdiodenchip, der zumindest stellenweise schon mit Partikeln des zumindest einen Leuchtstoffs beschichtet ist, in der Suspension angeordnet.
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Nachfolgend erfolgt ein weiteres elektrophoretisches Abscheiden der Partikel des zumindest einen weiteren Leuchtstoffs auf der Außenfläche des zumindest einen Leuchtdiodenchips. Mit anderen Worten wird in dieser Ausführungsform der zumindest eine Leuchtdiodenchip nachfolgend mit zumindest zwei unterschiedlichen Leuchtstoffen beschichtet. Dabei können die Partikel des weiteren Leuchtstoffs insbesondere lediglich an solchen Stellen der Außenfläche des zumindest einen Leuchtdiodenchips abgeschieden werden, von denen das elektrisch isolierende Schutzmaterial entfernt worden ist.
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Stellen der Außenfläche, an denen bereits Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs abgeschieden sind, können durch diese Partikel elektrisch isolierend sein und damit nicht mehr zur Aufnahme weiterer Partikel des zumindest einen weiteren Leuchtstoffs geeignet sein. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Partikel zweier unterschiedlicher Leuchtstoffe in einem durch die vorangegangene Strukturierung des elektrisch isolierenden Schutzmaterials vorgegebenen Muster auf die Außenfläche von Leuchtdiodenchips aufbringen. Beispielsweise kann einer der Leuchtstoffe dabei zur Emission von rotem Licht geeignet sein, ein anderer der Leuchtstoffe ist zur Emission von grünem Licht geeignet. Ganz allgemein können sich der Leuchtstoff und der weitere Leuchtstoff im Hinblick auf die Farbe des von ihnen emittierten Lichts unterscheiden.
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Zum Beispiel wird mittels des elektrisch isolierenden Schutzmaterials, bei dem es sich etwa um einen Fotolack handelt, ein Schachbrettmuster aus belichteten und unbelichteten Flächen auf einer Hauptfläche eines Leuchtdiodenchips erzeugt. Die belichteten Flächen können zum Beispiel nasschemisch entfernt werden, sodass mit elektrisch isolierendem Schutzmaterial bedeckte und unbedeckte Flächen resultieren. Auf die elektrisch leitenden, unbedeckten Flächen wird nachfolgend ein erster Leuchtstoff in Form von Partikeln abgeschieden. Nachfolgend wird das verbleibende elektrisch isolierende Schutzmaterial beispielsweise in einem zweiten nasschemischen Schritt entfernt und ein zweiter Leuchtstoff wird in Form von Partikeln abgeschieden. Auf diese Weise umfasst der Leuchtdiodenchip eine Leuchtstoffschicht, die mit Bereichen gebildet ist, die sich hinsichtlich ihrer Leuchtstoffzusammensetzung unterscheiden. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, Reabsorptionen von durch einen Leuchtstoff emittiertem Licht durch einen anderen Leuchtstoff zu reduzieren. Es resultiert ein besonders effizienter Leuchtdiodenchip.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf jede elektrische Anschlussstelle an einer Außenfläche jedes Leuchtdiodenchips vor dem elektrophoretischen Abscheiden ein elektrisch leitendes Schutzmaterial aufgebracht und nach dem elektrophoretischen Abscheiden die auf dem elektrisch leitenden Schutzmaterial abgeschiedenen Partikel durch teilweises Abtragen des elektrisch leitenden Schutzmaterials entfernt. Beispielsweise handelt es sich bei der elektrischen Anschlussstelle um ein Bondpad. Auf das Bondpad kann ein elektrisch leitendes Schutzmaterial, beispielsweise in Form von Metallkügelchen, etwa Gold-Bumps, aufgebracht werden. Beim nachfolgenden elektrophoretischen Abscheiden scheiden sich Partikel des Leuchtstoffs oder des weiteren Leuchtstoffs auf dem elektrisch leitenden Schutzmaterial ab. Nachfolgend wird das elektrisch leitende Schutzmaterial zumindest teilweise beispielsweise durch Schleifen abgetragen. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kontakt zum Anschließen des Leuchtdiodenchips freigelegt. Das teilweise Abtragen kann dabei im Verbund der Leuchtdiodenchips gleichzeitig für alle Leuchtdiodenchips erfolgen. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders effizientes Verfahren.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden die Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs und die Partikel des zumindest einen weiteren Leuchtstoffs auf der Außenfläche des zumindest einen Leuchtdiodenchips ein Muster aus ersten Bereichen mit Partikeln eines ersten Leuchtstoffs und zweiten Bereichen mit Partikeln eines zweiten Leuchtstoffs. Der erste und der zweite Leuchtstoff sind dabei voneinander verschieden und emittieren beispielsweise Licht unterschiedlicher Farben. Ein Muster bezeichnet vorliegend sowohl eine regelmäßige Anordnung von Bereichen auf der Außenfläche des Leuchtdiodenchips also auch eine unregelmäßige Anordnung von wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen.
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Weiter ist es möglich, dass das Muster dritte, vierte oder weitere Bereiche aufweist, in denen Partikel weiterer Leuchtstoffe angeordnet sind. Ferner ist es möglich, dass das Muster ungefüllte Bereiche aufweist, in denen kein Leuchtstoff angeordnet ist. So kann eine Außenfläche des Leuchtdiodenchips beispielsweise in Bereiche strukturiert sein, in denen eine Vollkonversion der vom Leuchtdiodenchip im Betrieb erzeugten Primärstrahlung in farbiges Licht mittels wenigstens eines ersten Leuchtstoffs stattfindet. Andere Bereiche können frei von einem Leuchtstoff sein; hier dringt die Primärstrahlung unkonvertiert nach außen. Insgesamt kann auch auf diese Weise Mischlicht erzeugt werden.
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Beispielsweise können die Bereiche in einer Draufsicht auf die Außenfläche dabei rechteckig, quadratisch, rund, kreisförmig oder streifenförmig ausgebildet sein. Beispielsweise bildet jeder Bereich ein Viereck aus. Die Größe der Bereiche kann dabei an die Anforderungen an das von der Leuchtdiode im Betrieb emittierte Licht angepasst werden.
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So ist es beispielsweise möglich, dass die Bereiche Durchmesser im Bereich von wenigstens 1 μm bis höchsten 100 μm aufweisen. Werden die Bereiche dabei besonders groß gewählt, beispielsweise im Bereich von wenigstens 100 μm oder mehr, so können Farbmuster erzeugt werden, die mit dem bloßen Auge erkennbar sind. Auf diese Weise ergibt sich beispielsweise auch die Möglichkeit, einfache Symbole wie Buchstaben oder Piktogramme mittels der Bereiche zu erzeugen und beispielsweise über ein optisches Element, wie eine Linse, der Leuchtdiode zu projizieren. Bei dem Muster muss es sich dann nicht um eine regelmäßige Abfolge der Bereiche handeln.
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Ferner ist es möglich, dass die Bereiche in ihrem Durchmesser sehr klein, beispielsweise im Bereich der Wellenlänge der vom Leuchtdiodenchip im Betrieb emittierten Primärstrahlung gewählt werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Nano-Leuchtstoffen und/oder Quantenpunkten als Leuchtstoff möglich. Mit solch kleinen Bereichen ist es beispielsweise möglich, dass das Muster einen photonischen Kristall bildet. Auf diese Weise können Streueffekte aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex an den Materialgrenzen der durch die Partikel der Leuchtstoffe gebildeten Schichten – zum Beispiel zum Leuchtdiodenchip hin oder zum umgebenden Medium (zum Beispiel ein Verguss wie Silikon) – nahezu vollständig vermieden werden. Dies führt zu einer erhöhten Helligkeit des von der Leuchtdiode im Betrieb abgestrahlten Lichts.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Partikel nach dem elektrophoretischen Abscheiden auf der Außenfläche des Leuchtdiodenchips fixiert. Nach dem Fixieren ist zwischen den Partikeln des Leuchtstoffs und dem Leuchtdiodenchip eine mechanisch feste Verbindung hergestellt, die sich während der Weiterverarbeitung des Leuchtdiodenchips zur Leuchtdiode und im sachgemäßen Gebrauch der Leuchtdiode nicht mehr löst. Die Fixierung kann dabei beispielsweise mittels eines harten, schleifbaren Materials wie Silazan erfolgen. Dieses Material kann beispielsweise auch in Partikelform in die Suspension mit eingebracht sein und beim elektrophoretischen Abscheiden zusammen mit den Partikeln des Leuchtstoffs auf die Außenfläche des Leuchtdiodenchips abgeschieden werden. Beispielsweise durch ein nachfolgendes Erhitzen des Leuchtdiodenchips samt der auf der Außenfläche des Leuchtdiodenchips abgeschiedenen Partikel erfolgt dann eine Fixierung des Leuchtstoffs auf der Außenfläche des Leuchtdiodenchips.
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Ferner ist eine Fixierung durch Materialien wie Silikon oder Hybridmaterialien (zum Beispiel Expoxid-Silikon-Hybridmaterial) möglich. Diese Materialien können zum Beispiel in Form eines Vergusses auf die abgeschiedene Schicht aufgebracht werden. Das Material schütz den Leuchtstoff oder die Leuchtstoffe vor äußern Einflüssen und vermittelt eine Haftung zum Leuchtdiodenchip.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Partikel nach dem Fixieren stellenweise entfernt. Das Entfernen kann beispielsweise mittels Schleifen, Laserablation oder Laserbohren erfolgen. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die Dicke der mit den Partikeln des zumindest einen Leuchtstoffs gebildeten Schicht stellenweise oder gleichmäßig reduziert wird. Auf diese Weise ist eine nachträgliche Farbkorrektur des vom Leuchtdiodenchip abgestrahlten Mischlichts möglich. Beispielsweise kann dieses Entfernen auch im Waferverbund stattfinden, sodass für alle Leuchtdiodenchips eine gleichmäßige Dicke der Schicht aus Partikeln des Leuchtstoffs eingestellt werden kann. Beispielsweise ist es auch möglich, dass während des Abtragens der Schicht eine fotometrische Messung des von den Leuchtdiodenchips und der Schicht abgestrahlten Mischlichts stattfindet und auf diese Weise durch Messen und Materialabtrag ein bestimmter Farbort des abgestrahlten Mischlichts eingestellt wird.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass gezielt, zum Beispiel durch Laserbohren, Material der Schicht mit den Leuchtstoffpartikeln stellenweise abgetragen wird, sodass die Schicht nach dem Abtragen Öffnungen aufweist, in denen die Außenfläche frei von dem Material der Schicht ist. Auch auf diese Weise kann beispielsweise eine photonische Kristallstruktur, wie sie weiter oben erklärt ist, erzeugt werden.
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Das hier beschriebene Verfahren sowie der hier beschriebene Leuchtdiodenchip zeichnen sich dabei unter anderem durch die folgenden Vorteile aus:
- – Mit dem Verfahren ist die Herstellung von weißes Licht emittierenden Leuchtdiodenchips möglich, bei denen es nicht notwendig ist, nach dem Vereinzeln aus dem Verbund ein weiteres Konversionsmaterial, beispielsweise in Form eines Plättchens, auf die Außenfläche des Leuchtdiodenchips aufzubringen.
- – Das hier beschriebene Verfahren ist für alle Chipgrößen, insbesondere auch für kleine Chips mit Kantenlängen unterhalb 500 μm einsetzbar.
- – Die Partikel des wenigstens einen Leuchtstoffs können in hoher Packungsdichte auf die Außenfläche des Leuchtdiodenchips aufgebracht werden. Auf diese Weise sind sie besonders gut thermisch an den Leuchtdiodenchip angeschlossen, sodass eine optimale Entwärmung des Leuchtstoffs im Betrieb der Leuchtdiode stattfinden kann.
- – Weiter ist es möglich, dass die Leuchtdiode frei von einem Vergussmaterial ist, da kein Matrixmaterial zum Einbringen eines Leuchtstoffs zur Verfügung gestellt werden muss. Insgesamt kann auf ein Matrixmaterial für den Leuchtstoff verzichtet werden, was wiederum eine besonders hohe Packungsdichte der Partikel des Leuchtstoffs ermöglicht.
- – Mittels des Verfahrens können auch Seitenflächen und nicht nur Hauptflächen der Leuchtdiodenchips mit Partikeln des wenigstens einen Leuchtstoffs beschichtet werden. Somit ergibt sich ein homogener Farbort über einen großen Betrachtungswinkel und das so genannte ”blue piping”, bei dem das am Rand des Leuchtdiodenchips abgestrahlte Licht als blau erscheint, kann vermieden werden.
- – Ferner kann eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips mit enger Farbortverteilung gleichzeitig hergestellt werden. Dies erhöht die Ausbeute und erleichtert die spätere Verwendung der Leuchtdiodenchips in den Leuchtdioden. Durch die Verwendung eines Kunstwafers als Verbund, in dem die Leuchtdiodenchips vorliegen, kann die Farbortverteilung weiter eingeengt werden.
- – Ferner kann der Farbort nachträglich durch stellenweises Abtragen der Partikel des Leuchtstoffs eingestellt werden.
- – Schließlich erweist sich die Herstellung im Verbund, das heißt das elektrophoretische Abscheiden auf eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips, als besonders kostengünstig.
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Im Folgenden werden das hier beschriebene Verfahren und die hier beschriebene Leuchtdiode anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Die schematischen Schnittdarstellungen der 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Verfahren.
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Die schematischen Darstellungen der 3A und 3B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Leuchtdiode.
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Anhand der schematischen Darstellungen der 4A, 4B, 5A, 5B sind weitere Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Verfahren näher erläutert.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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Die 1 zeigt anhand einer schematischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens. Bei dem Verfahren werden eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips 1, die als Wafer im Verbund vorliegen, in einer Suspension 23 angeordnet. Jeder Leuchtdiodenchip umfasst zumindest eine aktive Schicht 11, in der im Betrieb des Leuchtdiodenchips Primärstrahlung, zum Beispiel blaues Licht und/oder UV-Strahlung, erzeugt wird. Die Leuchtdiodenchips weisen eine Außenfläche 1a auf. Die Außenfläche 1a ist beispielsweise durch ein Halbleitermaterial des Leuchtdiodenchips gebildet. Ferner ist es möglich, dass an der Außenfläche 1a ein elektrisch leitfähiges Material, wie beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid, angeordnet ist. Die Außenfläche 1a der im Verbund vorliegenden Leuchtdiodenchips wird mit einer Spannungsquelle 7 verbunden. Ebenso wird die Suspension 23 mit der Spannungsquelle verbunden.
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Die Suspension 23 setzt sich dabei aus einem Lösungsmittel 2 zusammen, in das Partikel 3 zumindest eines Leuchtstoffs gelöst sind.
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Beim Anlegen einer Spannung durch die Spannungsquelle 7 beginnen sich die Partikel 3 aus der Suspension 2 auf der Außenfläche 1a der Leuchtdiodenchips 1 abzulagern. Dieses Verfahren wird solange durchgeführt, bis eine gewünschte Schichtdicke und/oder eine gewünschte Dichte der Partikel 3 auf der Außenfläche 1a erreicht ist.
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Nach dem Abschließen des Verfahrens werden die Leuchtdiodenchips im Verbund aus der Suspension entfernt und entlang der Vereinzelungslinien 4 zu einzelnen Chips vereinzelt. Danach kann ein Einbau der Leuchtdiodenchips in einem Gehäuse (nicht gezeigt) erfolgen.
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In Verbindung mit 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 liegen die Leuchtdiodenchips 1 hier nicht im Waferverbund vor, sondern Leuchtdioden, umfassend ein Gehäuse 5, sowie Leuchtdiodenchips 1 sind im Verbund in der Suspension 23 angeordnet. Beispielsweise sind die Leuchtdioden dazu auf einem Träger 6 aufgebracht. Beim Anlegen einer Spannung über die Spannungsquelle 7 scheiden sich Partikel des zumindest einen Leuchtstoffs aus der Suspension 23 auf der Außenfläche 5a des Gehäuses 5 sowie der Außenfläche 1a der Leuchtdiodenchips 1 ab. Die Partikel 3 werden dabei auf elektrisch leitenden Flächen dieser Komponenten abgeschieden.
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In Verbindung mit den 3A und 3B ist eine Leuchtdiode beschrieben, bei der ein Abscheiden von Partikeln 3 auf zur Abscheidung nicht erwünschten Flächen unterbunden wird. Die Leuchtdiode umfasst ein Gehäuse 5, das vorliegend als Anschlussträger ausgebildet ist, auf dem Metallisierungen 10 als Anschlussstellen vorhanden sind. Wie aus der Schnittdarstellung der 3B ersichtlich, werden die Metallisierungen 10 sowie eine elektrische Anschlussstelle 9 des Leuchtdiodenchips 1 vor dem elektrophoretischen Abscheiden der Partikel 3 des wenigstens einen Leuchtstoffs mit einem elektrisch isolierenden Schutzmaterial 8 bedeckt.
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Aufgrund des elektrisch isolierenden Schutzmaterials 8, bei dem es sich beispielsweise um einen strukturierten Fotolack handelt, erfolgt auf die bedeckten Flächen keine Abscheidung von Partikeln 3 des zumindest einen Leuchtstoffs. Nach dem elektrophoretischen Abscheiden der Partikel 3 kann das elektrisch isolierende Schutzmaterial 8 entfernt werden. Wie aus 3A ebenfalls ersichtlich, können Haupt- und Seitenflächen des Leuchtdiodenchips 1 mittels der hier beschriebenen Verfahren vom Leuchtstoff, das heißt den Partikeln 3, bedeckt werden. Auf diese Weise kann über einen großen Betrachtungswinkel ein homogener Farbort des von der Leuchtdiode im Betrieb abgestrahlten Lichts erzielt werden.
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In Verbindung mit der 4A ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem auf die Außenfläche 1a eines Leuchtdiodenchips 1 erste Bereiche 12 mit Partikeln eines ersten Leuchtstoffs und zweite Bereiche 13 mit Partikeln eines zweiten Leuchtstoffs oder ohne Leuchtstoff auf die Außenfläche des Leuchtdiodenchips aufgebracht sind. Auf diese Weise ist ein Muster erzeugt, das, wie weiter oben beschrieben, für den menschlichen Betrachter auch mit bloßem Auge sichtbar sein kann. Ferner können auf diese Weise photonische Kristalle erzeugt werden, welche eine besonders verlustfreie Lichtabstrahlung erlauben.
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Je nach verwendetem Leuchtstoff und gewünschter Abstrahlcharakteristik können die Länge l und Breite b beziehungsweise der Durchmesser d der Bereiche gewählt werden, Beispielsweise beträgt die Kantenlänge des Leuchtdiodenchips l 300 μm, und die Breite b sowie die Länge l betragen jeweils 50 μm. Das heißt, es können auch besonders kleine Chips mit einem Muster von Partikeln unterschiedlicher Leuchtstoffe bedeckt werden. Die Leuchtstoffe können dabei beispielsweise durch Anregung mit blauem Licht rotes Licht beziehungsweise grünes Licht emittieren. Aufgrund der Anordnung unterschiedlicher Leuchtstoffe in unterschiedlichen Bereichen ist die Absorption von bereits konvertiertem Licht minimiert.
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In der 4B ist ein mögliches Herstellungsverfahren für einen solchen Leuchtdiodenchip schematisch gezeigt. Beispielsweise kann der Leuchtdiodenchip, etwa im Verbund, in einer Suspension 23' angeordnet sein, welche Partikel 3' eines weiteren Leuchtstoffs enthält. Auf diese Weise können Bereiche 13 mit dem zweiten Leuchtstoff erzeugt werden. Diese Bereiche sind beim Abscheiden des ersten Leuchtstoffs in den ersten Bereichen 12 beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Schutzmaterial 8, wie beispielsweise einem Fotolack, abgedeckt, der vor dem Aufbringen der Partikel des zweiten Leuchtstoffs entfernt wird.
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In Verbindung mit den 5A und 5B ist ein weiteres Herstellungsverfahren für eine hier beschriebene Leuchtdiode näher erläutert. Bei diesem Herstellungsverfahren wird eine Kontaktstelle 9 eines Leuchtdiodenchips 1 mit einem elektrisch leitenden Schutzmaterial 14, zum Beispiel einem Gold-Bump, abgedeckt. Beim elektrophoretischen Abscheiden wird auch dieser elektrisch leitfähige Gold-Bump mit den Partikeln 3 des zumindest einen Leuchtstoffs beschichtet. Anschließend wird das elektrisch leitende Schutzmaterial 14 zumindest teilweise, beispielsweise durch Schleifen, abgetragen. Auf diese Weise kann eine beispielsweise drahtkontaktierbare Fläche an der dem Leuchtdiodenchip 1 abgewandten Oberseite des elektrisch leitenden Materials 14 freigelegt werden. Diese Fläche ist dann ohne weitere Maßnahmen drahtkontaktierbar.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004021231 A1 [0002]
- US 2009/0173957 [0012]