專利名稱：帶有半導體芯片和導光層的裝置的制作方法
帶有半導體芯片和導光層的裝置
這個專利申請要求德國的專利申請102007010755.4的優先權，其 公開內容通過引用的方式納入本文中。
本發明涉及帶有半導體芯片和覆蓋層的裝置，該半導體芯片設置 用于在工作時發射光，該覆蓋層面對半導體芯片的輻射光的表面，以 致從半導體芯片中輻射的光穿4蓋層中。
這樣的一種裝置相應于半導體組件的一般構建，其中，該覆蓋層 保護該半導體芯片并且用于光的退耦。
發射光的半導體組件的應用領域是顯示器的背光。對此由發光二 極管產生的光必須分布到大的面上，為此應用了導光板或導光箔 (Lichtleiterfolie)。其中，光從這樣的導光板中經過大的面從后往顯示 層的背側上輻射。這樣的裝置從文件JP 08007614中是已知的。在那 里示出的裝置中光側向地耦合到導光板中。壓印到導光板底側上的散 射光柵用于光的改善的退耦。所示出的裝置的缺點是，該裝置比較大 且費用高。
本發明的目的是給出帶有半導體芯片的裝置，該裝置是可以作為 背光單元應用的，并且其中該裝置是更容易且更小地建立的。
這個目的通過根據權利要求l的裝置實現。相應地，在開頭提及 的裝置中在覆蓋層的與芯片重疊的范圍中設置了光偏轉結構，通過該 結構在覆蓋層的縱向延伸方向上偏轉穿入菱蓋層中的光。其中，覆蓋 層起光導體的作用并設置用于分散地在覆蓋層的上側上輻射光。
通過裝置的根據本發明的方案這個裝置很小且可以單件地制造。 聯接發光二極管和導光板不是必需的，而是半導體芯片的覆蓋層同時 承擔作為導光板或導光箔的功能。用于偏轉的結構負責不將耦合到 覆蓋層中的光朝著同樣的方向輻射，而是偏轉到覆蓋層中，以致它在覆蓋層的縱向延伸上分布，并且因此也可以退耦到覆蓋層的離芯片較 遠的范圍中。有利的是，假如包括覆蓋層的光學構造的箔與半導體表
面直接接觸，或者帶有固定地與半導體表面接合(verbunden)的接觸層。 因此，箔與半導體芯片構成完整的單元。
在本發明的優選的方案中，該半導體芯片是沒有襯底的薄膜芯 片，該薄膜芯片優選地具有兩個相反的主輻射方向。尤其通過以下典 型的特征表征薄膜發光二極管芯片
-外延層序具有在20pm或更少的范圍中的厚度，尤其是指在 10pm的范圍中的厚度；以及
—外延層序包括帶有至少 一 個具有混合結構 (Durchmischungsstruktur)的面的半導體層，該混合結構在理想情況下 導致光在外延的外延層序中的近似遍歷的分布，也就是說它具有盡可 能遍歷隨機的散射特性。
薄膜發光二極管芯片在良好的近似下是一種朗伯表面輻射體。
例如在I. Schnitzer等人的Appl. Phys . Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176中描述了薄膜發光二極管芯片的基本原理，就此而 言，其公開內容通過引用而納入本文中。
作為薄膜芯片的方案有以下優點，即裝置很薄。作為雙側發射的 芯片有以下優點，即用根據本發明的裝置構成的背光單元可以在兩個 方向上輻射光，或者當只在一個方向上輻射光時，可以避免通常應用 的襯底中的損失。
在本發明的優選的方案中，在覆蓋層的背向半導體芯片的上側上 設置了鏡面化，以致防止了或減少了在半導體芯片之上的范圍中、在 半導體芯片的主輻射方向上的輻射。
光偏轉結構優選地通過光學元件實現，該光學元件集成到覆蓋層
中，其中，尤其可以安裝棱鏡、透鏡或衍射光柵。其中，光偏轉結構 可以在覆蓋層自身中構成，但是也可以在該層上構成或者在半導體芯 片和覆蓋層之間構成。此外有可能為了光偏轉而設置由光子晶體制成的層。以下也有可 能，即覆蓋層具有全息構造。
此外，有利的是，關于覆蓋層設置了表面擴散器
(Oberflaechendiffiisoren)或體擴散器(Volumendiffusoren)。通過擴散器 把光^:射在不同方向上，以致出現特別均勻的輻射特性。
在本發明的有利的改進方案中設置了作為覆蓋層的若干箔(Folie) 的組合，該組合具有不同的構造和/或不同的折射率。在這些箔之間的 界面引起了附加的反射和折射。
在半導體芯片的表面和覆蓋層的表面之間的層中設置可導電的
結構用于接觸半導體芯片，也是特別有利的。
在另外的有利的改進方案中，在覆蓋層中可以設置轉換材料，該 轉換材料具有發光物質，該發光物質在通過第一波長的光的激勵之后 發射第二波長的光。由此可能產生混合光，該混合光由從半導體芯片 發射的初級輻射和通過發光物質產生的次級輻射組成。這樣的混合光 可以例如是白光，該白光例如由藍色的初級輻射和黃色的次級輻射組 成。
本發明的其他的有利的方案在從屬權利要求中說明。
接下來利用實施例更進一步闡述本發明。
其中
圖l顯示了帶有半導體芯片和導光覆蓋層的裝置的示意圖， 圖2顯示了在覆蓋層的上側上帶有鏡面化的根據本發明的裝置， 圖3顯示了在覆蓋層中帶有棱鏡結構的根據本發明的裝置， 圖4顯示了在覆蓋層中帶有體擴散器的根據本發明的裝置， 圖5顯示了帶有多層構建和棱鏡結構的才艮據本發明的裝置， 圖6A至圖6F顯示了光偏轉結構的不同例子， 圖7顯示了光偏轉結構的其他的實施例，
圖8顯示了帶有雙側發射的薄膜半導體芯片的根據本發明的裝
置，圖9顯示了帶有轉換層的根據本發明的裝置，
圖IO顯示了帶有兩個轉換層的根據本發明的裝置，
圖11顯示了帶有撓性的導體路徑(Leiterbahn)的根據本發明的裝置。
在圖1中描述了帶有半導體芯片和覆蓋層的根據本發明的裝置的 基本構建。半導體芯片由層疊組成，其中，在顯示的實施例中示出了 兩層。當半導體芯片是在薄膜技術中制造時，它的厚度優選地小于20 微米，例如七微米。但是也可以應用厚得多的半導體芯片，該半導體 芯片具有例如150微米的厚度。采用半導體芯片l的上側把它與覆蓋 層2接合起來，該覆蓋層由光學透明的或部分透明的材料組成。覆蓋 層2承擔以下功能，即把由半導體芯片l發射的光分布到大的面上， 以致可以例如用于顯示器的背光。在半導體芯片l的表面3處的它的 輻射方向主要與它的發射光的上側或下側垂直，并且不在覆蓋層2的 縱向延伸方向上。根據本發明在半導體芯片的范圍中設置了光偏轉結 構4，為了在覆蓋層中傳播通過該結構偏轉光，其中，覆蓋層起導光 板或導光箔的作用。
光學清楚、透明的材料可以用作用于覆蓋層的材料，但是也可以 應用例如帶有遮蔽物效用的半清楚、透明的材料，其中，遮蔽物效用 例如是通過材料中的異質性(Inhomogenitaet)導致的。重要的是涉及了 透光(durchscheinend)的材料，該材料例如也可以包括發光物質。覆蓋 層優選地具有在30微米和300微米之間的厚度。
根據圖1的裝置設置用于把光主要向上輻射。因此在覆蓋層5的 下側上設了鏡面化6，以致阻止了光向下離開覆蓋層2。因此光僅僅 可以在上側5上射出。分別根據半導體芯片1的構建設置了，這個半 導體芯片在它的下側同樣地具有反射光的層，以便防止向下的輻射。 取而代之，全部的光應該耦合到覆蓋層2中并且在縱向延伸方向上偏 轉。
在圖2中描述了可以怎樣阻止光在覆蓋層2的上側主要在半導體芯片1的主輻射方向上是可見的。對此，在覆蓋層2的上側上、在半 導體芯片上方的范圍中設置了鏡面化7，該鏡面化把在那里出現的光 又向下反射并且因此產生以下可能性，即光繼續在覆蓋層2的縱向延 伸上偏轉。以這種方式阻止了在半導體芯片l的范圍中光斑在覆蓋層 的上側上是可見的。
在圖2的描述中半導體芯片配備了兩個接觸面8，以便供給半導 體芯片驅動電流。接觸面的布置示意性地可見，當然該接觸部必須與 半導體芯片的對于供電相關的范圍接合,也就是說接觸面之一必須與 半導體芯片1的上層相接合。這個說明也適用于其他的接下來描述的 附圖。在半導體芯片和覆蓋層2之間的間隙可以用耦合介質12填充， 以便產生半導體芯片l和覆蓋層2之間的接合。
在實施例中由圖2顯示的芯片具有兩個接觸面，這兩個接觸面都 設置在芯片l的下側上。其他的芯片是如此構建的，即使得必須產生 在上側上的接觸和下側上的接觸。在這樣的芯片中優選地利用耦合層 12，以便在那里設置光學透明但是可導電的結構，該結構用于接觸半 導體芯片1的上側。
在圖2中顯示的導光箔由一側的覆蓋層2和另一側的第二層10 組成，以致構成了兩層箔。在覆蓋層2和位于其下方的、構成覆蓋層 2的下面終端(Abschluss)的層10之間的界面，以及這個層10的下側 可以構造或涂層，以^^在覆蓋層2中以所期望的方式影響光的光程。
在圖3中顯示的實施例中，在覆蓋層3中在半導體芯片1的上方 的范圍中形成了楝鏡9,該棱4t&于在通過棱鏡構成的界面上折射率 的突變在覆蓋層2的縱向延伸方向上折射由半導體芯片1發射的光。 利用光束示范性地描述了作用方式。在覆蓋層2的材料具有相對高的 折射率時，在界面的另一側上必須有帶有盡可能小的折射率的材料。 當制造棱鏡時制造的凹陷沒有用另外的材料填充，而是敞開時，也可 以簡單地是空氣。
在圖4中描述的實施例中在覆蓋層2中設置了擴^L粒子11，該擴^^立子引起了由半導體芯片l發射的光的散射。擴散粒子例如由二氧
化鈦組成。這個二氧化鈥有大約2.8的高折射率，這使得在擴散粒子 到覆蓋層2的材料的界面上出現全反射或至少是強折射，以致偏轉出 現的光。
在圖5的實施例中設置了兩層的覆蓋層2。下層是配備由正如由 圖3描述的棱鏡，而上層具有凹形的凹陷15,該凹陷相對于棱鏡的凹 陷。在上層中的凹陷起透鏡的作用并且可以用于附加地影響輻射特性。
在圖6A至圖6F中顯示了不同的光偏轉結構，正如它們可以在本 發明的框架下應用，以便在覆蓋層的縱向延伸上偏轉由半導體芯片1 輻射的光。對于不同的實施例相同的是，半導體芯片1經過耦合層12 與覆蓋層2接合。覆蓋層2的各個方案是不同的。
在圖6A中設置了作為覆蓋層2的透明的箔，例如玻璃箔，該玻 璃箔是在上側上光學構造的。根據圖6B在下側上光學構造了玻璃箔。 根據圖6C光學的構造不僅設在下側上而且設在上側上。構造是如此 設計的，即使得提高了芯片的退耦效率。在圖6D中顯示了實施例， 在該實施例中在上側上設置了示意性描述的由光子晶體制成的層。在 圖6E中顯示了裝置，在裝置中不僅在覆蓋層的內部設置了光學構造， 而且在上側設置了光子晶體。
圖6F中顯示了有利的實施，在該實施中附加地設置轉換層和電 氣層(elektrischen Schichten)(對于發明者這里能否請您補充一段)。
在根據圖7的方案中半導體芯片1的表面配備了粗糙結構并且使 表面與覆蓋層2的構造側接觸。通過不同的界面組合影響了在覆蓋箔 2中的光分布。規則或隨機構造的表面是可能的。
在圖8中顯示了在薄膜技術中的雙側發射的無襯底的半導體芯 片，該半導體芯片是由兩個側覆蓋的。在這個方案中有利的是，沒有 形成襯底中的損失，而是可以利用朝兩側輻射的光。不僅向上輻射的 光而且向下輻射的光在鏡面化7處反射并且由此將光強制在覆蓋層2的縱向方向上，其構成導光箔。
在圖9和圖10中顯示了，根據本發明的裝置也可以安裝有轉換 層，該轉換層把由半導體芯片產生的初級輻射的一部分轉換為次級輻 射，其中輻射了由初級輻射和次級輻射組成的混合光。可以涉及白光，
該白光由藍色的初級輻射和黃色的次級輻射組成。其中，轉換層13 設置在半導體芯片l和覆蓋層2之間。作為轉換材料優選地應用無機 發光物質。在根據圖10的方案中設置了兩個轉換層，以便使得更復 雜的顏色混合成為可能。第二轉換層也可以用于將初級輻射中的UV 部分轉換為可見光，以便這樣獲取更高的效率。
正如在圖11中所顯示的，可以在與撓性的導體路徑15的結合中 產生薄的平坦的可三維構成的照明元件。這樣可以制造例如柱形的裝 置，該裝置在整個側面上輻射光。也可以制造背光，該背光跟隨彎曲 的表面。典型的應用是在汽車探照燈或尾燈中的使用。但是在普遍的 照明中這樣的照明元件基于其三維的可變形性也是可以多方面應用 的。
在實施例中描述的用于在覆蓋層的縱向延伸上偏轉由半導體芯 片產生的光的不同措施可以相互組合，以便這樣獲取最優的效用方 式。即使沒有詳盡地描述本發明的其他的方案也包括在本發明中并且 處于本領域技術人員的認識之中。
權利要求
1.一種帶有半導體芯片(1)和覆蓋層(2)的裝置，該半導體芯片設置用于在工作時發射光，該覆蓋層面對所述半導體芯片(1)的輻射光的表面，以致從所述半導體芯片(1)輻射的光穿入所述覆蓋層(2)中，該裝置的特征在于，-在所述覆蓋層(2)的與所述芯片重疊的范圍中設置了偏轉光的結構(4，7，9，11，15，16)，通過該結構在所述覆蓋層(2)的縱向延伸方向上偏轉穿入所述覆蓋層(2)中的光，以及-所述覆蓋層(2)起光導體的作用并設置用于分散地在所述覆蓋層(2)的上側(5)上輻射光。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，朝著所述覆蓋層(2) 的方向指示的方向是所述半導體芯片(l)的主輻射方向。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述半導體芯片(l) 具有兩個相對的主輻射方向。
4. 根據權利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述半導體芯 片(l)是薄膜芯片，尤其是指無襯底的薄膜芯片。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述 半導體芯片(l)的厚度位于7[im和150Mni之間，優選地在7pm和20 (im之間。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述覆蓋層(2)是 箔，優選地由光學清楚透明的材料或半清楚透明的材料制成，或由透 光的材料制成。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述覆蓋層(2) 的背向所述半導體芯片(1)的上側上設置了鏡面化(7)，尤其是該鏡面化 基本上具有所述半導體芯片(l)的輻射光的表面的大小。
8. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述覆蓋層(2) 的朝著所述半導體芯片(l)的方向指示的側上在所述半導體芯片(l)的范圍之外設置鏡面化(6)。
9. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述覆蓋層(2)直 接與所述半導體芯片(l)的表面接觸。
10. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，為了光偏轉而將 光學元件(7, 9, 11, 15, 16)集成到所述覆蓋層(2)中，尤其是指棱鏡、透 鏡或衍射光柵。
11. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，為了光偏轉設置 由光子晶體制成的層(16)。
12. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置的厚度 位于30 jim和300 pm之間。
13. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述覆蓋層(2) 上設置了表面擴散器。
14. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述覆蓋層(2) 中設置了體擴散器(ll)。
15. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，在所述覆蓋層(2) 中設置了全息構造。
16. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，作為覆蓋層(2) 設置了多個箔的組合，該組合具有不同的構造和/或不同的折射率。
17. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，在所述覆蓋層(2) 和所述半導體芯片(l)的表面之間設置了由耦合介質制成的層(12)。
18. 根據權利要求17所述的裝置，其特征在于，在所述半導體 芯片(l)的表面和所述覆蓋層(2)之間的所述層(12)包括用于電氣接觸 所述半導體芯片(2)的導電的光學結構。
19. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述覆蓋層(2) 中設置了轉換材料，該轉換材料由發光物質組成，該發光物質在由第 一波長的光的激勵之后發射第二波長的光。
20. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，不僅設置了所述 覆蓋層的構造，而且設置了由光子晶體制成的層(15)。
21. —種根據權利要求1至20中任一項所述的裝置作為用于顯 示器的背光的應用。
全文摘要
本發明涉及帶有半導體芯片(1)和覆蓋層(2)的一種裝置，該半導體芯片設置用于在工作時發射光，該覆蓋層面對半導體芯片的輻射光的表面，以致從半導體芯片(1)中輻射的光穿入覆蓋層(2)中。根據本發明，該裝置的特征在于，在覆蓋層(2)的與芯片(1)重疊的范圍中設置了偏轉光的結構，通過該結構在覆蓋層(2)的縱向延伸方向上偏轉穿入覆蓋層(2)中的光，并且覆蓋層(2)起光導體的作用并設置用于分散地在覆蓋層(2)的上側上輻射光。
文檔編號G02B6/00GK101627326SQ200880006942
公開日2010年1月13日 申請日期2008年1月23日 優先權日2007年3月6日
發明者B·哈恩, J·索格, S·格魯伯, S·赫爾曼 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導體有限責任公司