DE102016123972A1

DE102016123972A1 - Optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102016123972A1
Application number: DE102016123972.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Pust; David Racz; Jan-Philipp Ahl; Adam Bauer; Kirstin Petersen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-14
Also published as: WO2018104395A1

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfassteinen Halbleiterchip, der dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren,ein Konversionselement umfassend Konverterpartikel, die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren, wobei die Konverterpartikel eine Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten aufweisen und die Quantenschichten und die Barriereschichten alternierend angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement.
Optoelektronische Bauelemente, wie lichtemittierende Dioden (LEDs), die eine weiße Strahlung emittieren, werden beispielsweise in Fernsehern, Tablets, Smartphones und Computern für die Hinterleuchtung von LCD-Filtersystemen benutzt. Dabei gibt es unterschiedliche Anforderungen an die LED. Zwei wesentliche Aspekte sind zum einen die maximale Helligkeit und zum anderen die Abdeckung eines großen Farbraums. Die herkömmlichen LCD-Filtersysteme bestehen aus drei beziehungsweise vier Farbfiltern (blau, grün und rot beziehungsweise blau, grün, gelb und rot). Die LCD-Filter können eine minimale spektrale, bzw. „Transmissions“-Halbwertsbreite (FWHM, full width at half maximum) im Bereich von typischerweise 70 bis 120 nm, in der die Transmission elektrisch gesteuert werden kann. Die Transmission ergibt sich aus der Superposition der drei Farbfilter, dadurch ergeben sich Bereiche des sichtbaren Spektrums, in denen keine vollständige Transmission erreicht wird. Das führt dazu, dass bei einem breitbandigen Spektrum der LED, die die Farbfilter hinterleuchtet, ein Anteil des emittierten Lichts vom Filter absorbiert wird. Um die maximale Lichtmenge aus der LED bei vollständig geöffneten LCD-Farbfiltern auf Bildschirmebene zu erhalten, werden schmalbandige Konversions- beziehungsweise Leuchtstoffe benötigt, die im Bereich der einzelnen Filterkurven emittieren. Um zudem eine hohe Farbsättigung zu erhalten, ist es wichtig, dass die einzelnen Emissionen der LED spektral jeweils möglichst nur einen der Farbfilter des Systems ansprechen.
Eine Lösung, um ein schmalbandiges LED-Spektrum, welches aus blauen, grünen und roten Anteilen besteht, zu erhalten, ist die Verwendung von drei verschiedenfarbigen Halbleiterchips in einer LED, das heißt ohne Leuchtstoffkonversion. Ein wesentlicher Nachteil dieses Konzepts ist, dass der hier verwendete rote InGaAlP-Chip starke Helligkeitsverluste über der Temperatur zeigt, wodurch der Farbort der gesamten LED stark schwankt. Somit wird eine komplexe und teure Treiberelektronik nötig, um dem entgegenzusteuern. Außerdem müssen drei Chips statt einem elektrisch angesteuert werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines blauen Halbleiterchips, dessen Licht zum Teil in grünes Licht anhand eines Leuchtstoffs (zum Beispiel Orthosilikate wie (Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺, Nitride wie beta-SiAlONe, Granate wie (Lu,Y)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺) umgewandelt wird und einem roten Halbleiterchip in einem LED-Package.
Oft wird ein blauer Halbleiterchip mit zwei Leuchtstoffen verwendet, die einen Teil des blauen Lichts in grüne und rote Bestandteile des Lichts konvertieren. Diese Lösungen weisen allerdings zum Teil eine niedrige Helligkeit und/oder eine zu geringe Farbraumabdeckung auf. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die eingesetzten grünen Leuchtstoffe ein breitbandiges Emissionsspektrum aufweisen.
Die Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Die Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst einen Halbleiterchip, der dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren, und ein Konversionselement, umfassend Konverterpartikel, die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Konverterpartikel eine Quantenstruktur auf, wobei die Quantenstruktur Barriereschichten und Quantenschichten umfasst und die Quantenschichten und die Barriereschichten alternierend angeordnet sind. Die Quantenschichten und die Barriereschichten bilden somit eine Mehrfachquantentopf-Struktur. Die Quantenstruktur kann auch aus den Quantenschichten und den Barriereschichten bestehen. Die Quantenschichten können auch als Quantentöpfe oder Quantentröge bezeichnet werden und sind bevorzugt zweidimensionale Quantenstrukturen. Das heißt, eine Schichtdicke der Quantenschichten ist dann sehr viel kleiner als laterale Ausdehnungen der Quantenschichten. Insbesondere handelt es sich bei den Konverterpartikeln nicht um Quantenpunkte. Quantenpunkte sind näherungsweise nulldimensional, im Gegensatz zu den zweidimensionalen Quantenstrukturen.
Dass Konverterpartikel oder ein Leuchtstoff die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, bedeutet, dass die Primärstrahlung zumindest teilweise von den Konverterpartikeln oder einem Leuchtstoff absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird.
Mit anderen Worten kann die Primärstrahlung also teilweise oder vollständig durch die Konverterpartikel oder einem Leuchtstoff in Sekundärstrahlung konvertiert werden. Unter vollständiger Konversion wird insbesondere eine Konversion über 95 %, bevorzugt über 98 % oder 99 %, verstanden.
Es ist bekannt, Konversionselemente mit einer Quantenstruktur in optoelektronischen Bauelementen einzusetzen. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist das Konversionselement dabei selbst eine epitaktisch aufgewachsene Quantenstruktur in Form eines makroskopischen Plättchens, ungefähr in der Größenordung der Emissionsfläche der Primärlichtquelle, während gemäß der vorliegenden Erfindung das Konversionselement Konverterpartikel mit einer epitaktisch aufgewachsenen Quantenstruktur umfasst, in Form von mikroskopischen Körnern beziehungsweise Konverterpartikeln, ungefähr in der Größenordnung von typischen Leuchtstoff-Konverterpartikeln. Mit Vorteil fällt durch den Einsatz von Konverterpartikeln eine entsprechende Sortierung der epitaktisch aufgewachsenen Quantenstrukturen („Binning“) entsprechend ihrer Farborte weg, da sich die Unterschiede in der Wellenlänge der emittierten Sekundärstrahlung beim Zerkleinern der Wafer mit der epitaktisch aufgewachsenen Quantenstruktur mitteln. Zusätzlich vereinfacht sich die Prozesskette, da oft keine zusätzliche Haftschicht notwendig ist, um das Konversionselement zu befestigen. Zudem ist der Farbort der Gesamtstrahlung des Bauelements durch die Konzentration an Konverterpartikeln einfach einstellbar. Bisher bestand das Problem, das der grüne Farbort des Konversionselements nach der Waferprozessierung nicht mehr flexibel ist. Folglich konnten Farbortkorrekturen nur durch Anpassen eines gegebenenfalls in dem Bauelement zusätzlichen Leuchtstoffs durchgeführt werden. Damit konnte der Farbort der Gesamtstrahlung des Bauelements aber nur entlang einer roten Konversionslinie bewegt werden. Weitere Anpassungen erforderten automatisch eine neue zeitaufwendige Prozessierung des Konversionselements und eine Anpassung der Epitaxiestruktur. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Konverterpartikeln, also insbesondere der Verwendung des Konverters in Partikelform, können diese wie ein Leuchtstoff verarbeitet werden und die Konzentration durch Erhöhung beziehungsweise Verringerung der Partikelzahlen angepasst werden. Die Konverterpartikel können somit gegebenenfalls zusammen mit anderen Leuchtstoffen mit Standardprozessen weiterverarbeitet werden. Durch die Konverterpartikel können somit Prozesszeiten verkürzt werden, die Zahl der Prozessschritte verringert werden und damit die Fertigungskosten gesenkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren.
Unter „Schichtenfolge“ ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende Schichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht, wobei die Schichten übereinander angeordnet sind und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert.
Die Schichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein. Dabei kann die Schichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis blauen Wellenlängenbereich emittieren.
Die aktive Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht sein. Die hier beschriebenen Strukturen, die aktive Schicht oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
In einer Ausführungsform liegt die emittierte Primärstrahlung des Halbleiterchips beziehungsweise der aktiven Schicht der Schichtenfolge im nahen UV-Bereich bis blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Im nahen UV-Bereich kann dabei bedeuten, dass die emittierte Primärstrahlung eine Peakwellenlänge zwischen einschließlich 350 nm und einschließlich 420 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 380 nm und einschließlich 415 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 385 nm und einschließlich 415 nm, aufweist. Im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums kann dabei bedeuten, dass die emittierte Primärstrahlung eine Peakwellenlänge zwischen 420 nm und einschließlich 480 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 430 nm und einschließlich 460 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 440 nm und einschließlich 455 nm, aufweist.
Als „Peakwellenlänge“ wird vorliegend die Wellenlänge eines Peaks bezeichnet, bei der die maximale Intensität des Peaks liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip beziehungsweise die Schichtenfolge eine Hauptstrahlungsaustrittsflächeauf, über der das Konversionselement angeordnet ist.
Dass eine Schicht oder ein Element „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiter kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen oder der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen oder dem anderen Element angeordnet sein.
Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche ist dabei eine Hauptfläche des Halbleiterchips beziehungsweise der Schichtenfolge. Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche erstreckt sich insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der Schichtenfolge. Beispielsweise tritt mindestens 51 % oder 90 % der die Schichtenfolge verlassenden Primärstrahlung über die Hauptstrahlungsaustrittsflächeaus der Schichtenfolge heraus.
In einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen direkten mechanischen Kontakt zu dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere zu der Hauptstrahlungsaustrittsfläche, auf.
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement vollflächig über dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere dessen oder deren Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet. Zusätzlich kann das Konversionselement über den Seitenflächen des Halbleiterchips beziehungsweise der Schichtenfolge angeordnet sein.
Durch die Quantenstruktur der Konverterpartikel kann insbesondere im Vergleich zu Leuchtstoffen eine spektral schmalbandige Emission beispielsweise mit einer Halbwertsbreite (full width at half maximum, FWHM) von kleiner 50 nm, insbesondere im Bereich von 30 nm im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzielt werden, während bekannte grüne Leuchtstoffe typischerweise eine Emission mit einer Halbwertsbreite zwischen etwa 50 nm und 100 nm aufweisen. Die Emissionspeaks der Konverterpartikel zeigen damit insbesondere eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Grünfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sekundärstrahlung der Konverterpartikel im grünen Spektralbereich eine Halbwertsbreite von mindestens 15 nm oder 20 nm oder 25 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Halbwertsbreite der Sekundärstrahlung der Konverterpartikel bei höchstens 50 nm oder 40 nm oder 30 nm.
Dass die Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich liegt, bedeutet insbesondere, dass diese eine Peakwellenlänge im Bereich von einschließlich 500 nm bis einschließlich 680 nm, bevorzugt von einschließlich 500 nm bis einschließlich 600 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 510 nm bis einschließlich 580 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen einschließlich 520 nm und einschließlich 545 nm, aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenschichten In_xGa_1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4 auf oder die Quantenschichten bestehen aus In_xGa_1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4. Die Quantenschichten sind durch ihre Zusammensetzung für die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung verantwortlich.
Insbesondere bestimmt der Indiumgehalt die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung. So liegt die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung beispielweise bei A = 490 nm bei einem Indiumgehalt von etwa 20 mol% in Bezug auf die Gesamtmenge an Gallium und Indium, das heißt bei x = 0,2 und einer Schichtdicke der Quantenschichten von 2 nm bis 5 nm. Die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung liegt beispielsweise bei 580 nm bei einem Indiumgehalt von 40 mol% in Bezug auf die Gesamtmenge an Gallium und Indium, das heißt bei x = 0,4 und einer Schichtdicke der Quantenschichten von 2 nm bis 5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenschichten eine Schichtdicke von einschließlich 2,0 nm bis einschließlich 5,0 nm, bevorzugt von 2,0 bis 4,0 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 2,5 nm bis einschließlich 3,5 nm, auf. Beispielsweise weisen die Quantenschichten eine Schichtdicke von beispielsweise 2,9 nm auf. Überschreitet die Schichtdicke einer Quantenschicht 5 nm, sinkt die interne Quanteneffizienz. Liegt die Schichtdicke einer Quantenschicht unter 2,0 nm, steigt die Bandlücke, dadurch wird die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung zu kürzeren Wellenlängen verschoben und es ist ein höherer Indiumgehalt der Quantenschicht notwendig, um die gewünschte Peakwellenlänge zu erreichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Barriereschichten Al_yGa_1-yN mit 0,0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,4, besonders bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,3, ganz besonders bevorzugt y = 0 auf oder bestehen aus diesem Material. Ganz besonders bevorzugt umfassen die Barriereschichten GaN oder bestehen aus GaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Barriereschichten eine Schichtdicke von einschließlich 1,5 nm bis einschließlich 100 nm, bevorzugt 1,5 nm bis einschließlich 17,5 nm auf, beispielweise 16 nm oder 17 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden eine Barriereschicht und eine Quantenschicht jeweils eine Doppelschicht. Bevorzugt weisen die Konverterpartikel einschließlich fünf bis einschließlich 200 Doppelschichten auf. Je nach Anzahl der Doppelschichten kann der gewünschte Anteil an Primärstrahlung, der in Sekundärstrahlung konvertiert wird, an die gewünschten Anforderungen angepasst werden. Mit Vorteil ist es somit sehr einfach möglich, den Konversionsgrad der Konverterpartikel einzustellen.
Eine Vollkonversion der Primärstrahlung kann erfolgen, wenn die Quantenstruktur 120 bis 200 Doppelschichten umfasst oder daraus besteht. Eine Teilkonversion kann erfolgen, wenn die Quantenstruktur fünf bis 120, bevorzugt zehn bis 50 Doppelschichten umfasst oder daraus besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Doppelschicht eine Schichtdicke von einschließlich 3,5 nm bis 105 nm, bevorzugt 3,5 nm bis einschließlich 21,5 nm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Konverterpartikel eine Pufferschicht. Die Pufferschicht kann aus Al_yGa_1-yN mit 0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,4, besonders bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,3, ganz besonders bevorzugt y = 0 bestehen oder dieses Material aufweisen. Bevorzugt weist die Pufferschicht dasselbe Material auf wie die Barriereschichten. Die Quantenstruktur ist bevorzugt über der Pufferschicht angeordnet, wobei eine Quantenschicht über der Pufferschicht angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die Quantenstruktur auf einem Substrat angeordnet und/oder aufgewachsen. Bevorzugt ist die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die Quantenstruktur epitaktisch gewachsen, zum Beispiel auf einem lichtdurchlässigen Aufwachssubstrat wie Saphir. Unter lichtdurchlässig wird verstanden, dass das Substrat zumindest teilweise durchlässig für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Konverterpartikel eine Schichtdicke von einschließlich 0,5 nm bis einschließlich 200 µm, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 100 µm, besonders bevorzugt von einschließlich 5 nm bis einschließlich 30 µm, auf. Wenn die Konverterpartikel ein Substrat aufweisen, liegt die Schichtdicke bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 µm und einschließlich 200 µm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 µm und einschließlich 100 µm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 µm und einschließlich 30 µm. Unter der Schichtdicke der Konverterpartikel kann insbesondere auch der Korndurchmesser der Konverterpartikel verstanden werden. Konverterpartikel mit Schichtdicken unterhalb von 0,5 µm weisen vorzugsweise kein Substrat auf. Es ist dennoch möglich, dass die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die Quantenstruktur von Konverterpartikeln ohne Substrat zunächst auf einem Substrat epitaktisch aufgewachsen sind und dann das Substrat beispielsweise mittels eines Laser-Lift-Off-Verfahrens entfernt wurde. Möglich ist auch, dass das Substrat, je nach Anforderungen an die Schichtdicke der Konverterpartikel, durch Schleif- oder Polierprozesse gedünnt wird. Damit ist es insbesondere bei substratlosen Konverterpartikeln möglich, diese besonders dünn auszugestalten, wodurch auch die Schichtdicke des Konversionselements, beispielsweise ausgeformt als Verguss oder Schicht, verringert werden kann.
Die Konverterpartikel können gemäß einer Ausführungsform hergestellt sein, indem ein entsprechender Wafer umfassend das Substrat, der Pufferschicht und der Quantenstruktur durch Trenntechniken zu den entsprechenden Konverterpartikeln vereinzelt wird. Bevorzugt findet die Trennung lateral, also durch die abgeschiedenen Schichten (Substrat, Pufferschicht, Quantenstruktur) statt. Anstelle des Trennprozesses kann die Vereinzelung aber auch mechanisch, beispielsweise mithilfe einer Kugelmühle, erfolgen. Es ist auch möglich, dass das Substrat vor der Vereinzelung entfernt wird, beispielsweise durch ein Laser-Lift-Off-Verfahren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Konverterpartikel einen Kern und eine Hülle auf, wobei der Kern vollständig von der Hülle umgeben ist. Der Kern umfasst die Quantenstruktur, die Quantenstruktur und die Pufferschicht oder die Quantenstruktur, die Pufferschicht und das Substrat. Möglich ist auch, dass der Kern aus der Quantenstruktur, der Quantenstruktur und der Pufferschicht oder der Quantenstruktur, der Pufferschicht und dem Substrat besteht. Die Hülle ist insbesondere sowohl transparent für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein Matrixmaterial, in dem die Konverterpartikel eingebettet sind. Die Konverterpartikel können in dem Matrixmaterial verteilt sein, beispielsweise sind sie in dem Matrixmaterial homogen oder zufällig verteilt.
Das Matrixmaterial ist sowohl transparent für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung und ist beispielsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus: Gläser, Silikone, Epoxidharze, Polysilazane, Polymethacrylate und Polycarbonate sowie Kombinationen davon. Unter transparent wird verstanden, dass das Matrixmaterial zumindest teilweise durchlässig für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Konverterpartikel in dem Konversionselement beziehungsweise dem Matrixmaterial homogen oder zufällig verteilt.
Es ist auch möglich, dass die Konverterpartikel in dem Konversionselement beziehungsweise dem Matrixmaterial mit einem Konzentrationsgradienten verteilt sind. Insbesondere ist die Konzentration an Konverterpartikeln in den Bereichen des Konversionselements, die sich näher an der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips befinden, höher als in Bereichen des Konversionselements, die sich weiter entfernt von der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips befinden. Dies kann beispielsweise durch Sedimentation der Konverterpartikel beispielsweise vor dem Aushärten des Matrixmaterials erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Hülle einen Brechungsindex auf, der zwischen dem Brechungsindex des Matrixmaterials und des Brechungsindex des Kerns liegt. Die Hülle kann beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 100 nm aufweisen und kann vorzugsweise den Kern vollständig umgeben. Als Material kann ein anorganisches Material, beispielsweise ein Aluminiumoxid, ein Aluminiumnitrid, ein Titanoxid oder ein Siliziumoxid für die Hülle verwendet werden. Mit Vorteil kann die Primär- und/oder Sekundärstrahlung damit an den Konverterpartikeln gestreut werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement Streupartikel, beispielsweise aus einem Titanoxid oder Aluminiumoxid. Mit Vorteil kann die Primär- und/oder Sekundärstrahlung damit an den Konverterpartikeln gestreut werden. Damit kann eine homogene Abstrahlcharakteristik der Gesamtstrahlung des Bauelements erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement einen Leuchtstoff, insbesondere Partikel eines Leuchtstoffs. Der Leuchtstoff ist insbesondere dazu eingerichtet, die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip eine Strahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, die Primärstrahlung wird teilweise von den Konverterpartikeln und teilweise von dem Leuchtstoff in eine Sekundärstrahlung im grünen und im roten Spektralbereich konvertiert. Die Gesamtstrahlung kann sich aus einer Überlagerung der blauen Primärstrahlung und der grünen und roten Sekundärstrahlung ergeben und bei einem Betrachter einen weißen Leuchteindruck erwecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das Bauelement in dessen Betrieb eine weiße Gesamtstrahlung. Die weiße Gesamtstrahlung weist vorzugsweise eine Farbtemperatur von 5000 K bis 20000 K auf.
Als roter Bereich des elektromagnetischen Spektrums wird der Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen 580 nm und 650 nm verstanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt, die (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃*Si₂N₂O:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr,Ca) [LiA1₃N₄]:Eu²⁺, (K,Na)₂(Si,Ti)F₆:Mn⁴⁺ und Kombinationen daraus umfasst. Die Leuchtstoffe zeichnen sich insbesondere durch eine geringe Halbwertsbreite ihres Emissionsspektrums aus. Die Halbwertsbreite liegt bevorzugt unter 90 nm. Es handelt sich also um schmalbandige Leuchtstoffe. Kombiniert mit den schmalbandigen Konverterpartikeln kann eine hohe Farbreinheit des optoelektronischen Bauelements erzielt werden, wodurch eine hohe Farbraumabdeckung mit hoher Effizienz erzielbar ist. Die Bandbreite an Farben, die an einem Display wiedergegeben werden können, ist durch das aufgespannte Farbdreieck der Farben Rot, Grün und Blau limitiert. Diese Farben werden von dem Spektrum für die Hinterleuchtung von roten, grünen und blauen Farbfiltern entsprechend herausgefiltert. Jedoch ist der Wellenlängenbereich der transmittierten Strahlung der Farbfilter immer noch sehr breit. Deshalb werden optoelektronische Bauelemente mit sehr schmalbandigen Emissionen, also einer geringen Halbwertsbreite, im grünen, blauen und roten Spektralbereich benötigt, um einen möglichst breiten Farbraum abzudecken. Die Konverterpartikel weisen eine schmalbandige Emission auf, so dass das optoelektronische Bauelement gemäß dieser Ausführungsform insbesondere für Hinterleuchtungsanwendungen von Displays geeignet ist.
Die Dominanzwellenlängen der nitridischen Leuchtstoffe, also von (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃*Si₂N₂O:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr,Ca) [LiA1₃N₄]:Eu²⁺, liegen beispielweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 590 nm bis 640 nm. Zudem können sich die Dominanzwellenlängen der nitridischen Leuchtstoffe im Bereich von 595 nm bis 625 nm für die Materialsysteme (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃*Si₂N₂O:Eu²⁺ befinden. Zudem können sich die Dominanzwellenlängen der nitridischen Materialien im Bereich von 623 nm bis 633 nm für das Materialsystem (Sr,Ca)[LiAl₃N_4]:Eu²⁺ befinden. Weiterhin können sich die Dominanzwellenlängen der nitridischen Materialien im Bereich von 590 nm bis 610 nm für das Materialsystem (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺ befinden.
Die Dominanzwellenlänge ist eine Möglichkeit, nichtspektrale (polychromatische) Lichtmischungen durch spektrales (monochromatisches) Licht, welches eine ähnliche Farbtonwahrnehmung erzeugt, zu beschreiben. Im CIE-Farbraum kann die Linie, die einen Punkt für eine bestimmte Farbe und den Punkt Cx = 0.333, Cy = 0.333 verbindet, so extrapoliert werden, dass sie den Umriss des Raums in zwei Punkten trifft. Der Schnittpunkt, der näher an der besagten Farbe liegt, repräsentiert die Dominanzwellenlänge der Farbe als Wellenlänge der reinen spektralen Farbe an diesem Schnittpunkt. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die von dem menschlichen Auge wahrgenommen wird.
Die Farborte der nitridischen Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.595 - 0.625; Cy = 0.370 - 0.400 beziehungsweise im Bereich von Cx = 0.655 - 0.685; Cy = 0.300 - 0.350 beziehungsweise im Bereich von Cx = 0.620 - 0.655; Cy = 0.340 - 0.370 für die Materialsysteme (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃*Si₂N₂0:Eu²⁺.
Die Farborte liegen beispielsweise (Anregungswellenlänge = 460 nm) im Bereich von Cx = 0.680 - 0.715; Cy = 0.280 - 0.320 für das Materialsystem (Sr,Ca)[LiAl₃N_4]:Eu²⁺. Die Farborte liegen beispielsweise (Anregungswellenlänge = 460 nm) im Bereich von Cx = 0.610 - 0.650; Cy = 0.340 - 0.380 für das Materialsystem (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺. Die Dominanzwellenlänge des fluoridischen Leuchtstoffmaterials befindet sich beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 610 - 630 nm. Die Dominanzwellenlänge des fluoridischen Leuchtstoffs (K,Na)₂(Si,Ti)F₆:Mn⁴⁺ befindet sich zudem beispielsweise im Bereich von 617 - 624 nm. Der Farbort des fluoridischen Leuchtstoffs liegt beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.680 - 0.710; Cy = 0.290 - 0.330. Die genannten Cx- und Cy-Werte beziehen sich bevorzugt auf die CIE-Normfarbtafel von 1931.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff eine Kombination aus (K,Na)₂(Si,Ti)F₆:Mn⁴⁺ und (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃*Si₂N₂O:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺ oder (Sr,Ca) [LiA1₃N_4] :Eu²⁺.
Die Partikel der Leuchtstoffe können unabhängig voneinander eine mittlere Korngröße zwischen 1 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 40 µm, besonders bevorzugt zwischen 8 µm und 35 µm, aufweisen. Mit diesen Korngrößen wird die Primärstrahlung beziehungsweise die Sekundärstrahlung an diesen Partikeln vorteilhafterweise wenig oder hauptsächlich in Vorwärtsrichtung gestreut, was Effizienzverluste verringert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das Konversionselement aus den Konverterpartikeln, den Streupartikeln und dem Matrixmaterial oder aus den Konverterpartikeln, den Streupartikeln, den Leuchtstoffpartikeln und dem Matrixmaterial.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet.
In einer Ausführungsform hat das Plättchen eine Schichtdicke von 1 µm bis 1 mm, bevorzugt 10 µm bis 300 µm, besonders bevorzugt 25 µm bis 200 µm.
Die Schichtdicke des gesamten Plättchens kann gleichmäßig sein. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Plättchen ein Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, in dem die Konverterpartikel oder die Konverterpartikel und die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet, das über dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge angeordnet ist.
Das Konversionselement kann als Plättchen ausgeformt direkt auf dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge angebracht sein. Es ist möglich, dass das Plättchen die gesamte Oberfläche, insbesondere die Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips beziehungsweise der Schichtenfolge, vollständig bedeckt.
Das optoelektronische Bauelement kann ein Gehäuse umfassen. In dem Gehäuse kann in der Mitte eine Ausnehmung vorhanden sein. Der Halbleiterchip kann in der Ausnehmung angebracht sein. Möglich ist auch, dass eine oder mehrere weitere Halbleiterchips in der Ausnehmung angebracht sind.
Es ist möglich, dass die Ausnehmung mit einem den Halbleiterchip beziehungsweise die Schichtenfolge abdeckenden Verguss aufgefüllt ist. Die Ausnehmung kann aber auch aus einem Luftraum bestehen.
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement über der Ausnehmung des Gehäuses angeordnet. Bei dieser Ausführungsform besteht insbesondere kein direkter und/oder formschlüssiger Kontakt des Konversionselements mit dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge, das heißt dass zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip ein Abstand bestehen kann. Mit anderen Worten ist das Konversionselement dem Halbleiterchip nachgeordnet und wird von der Primärstrahlung angestrahlt. Zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip kann dann ein Verguss oder ein Luftspalt ausgebildet sein. Diese Anordnung kann auch als „Remote Phosphor Conversion“ bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement Teil eines Vergusses des Halbleiterchips oder das Konversionselement bildet den Verguss.
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement als eine Schicht ausgebildet. Die Schicht kann über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips oder über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche und den Seitenflächen des Halbleiterchips angeordnet sein. Die Schicht kann aufgesprüht oder aufgedruckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine lichtemittierende Diode, kurz LED.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele von Konverterpartikeln.
3 bis 10 zeigen schematische Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen von optoelektronischen Bauelementen.

1 zeigt den Aufbau eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Über dem Substrat 1, beispielweise aus Saphir, ist eine Pufferschicht 2 aus GaN angeordnet. Über der Pufferschicht 2 ist die Quantenstruktur 3 angeordnet. Die Quantenstruktur 3 besteht aus Quantenschichten 3a und Barriereschichten 3b, die alternierend angeordnet sind, wobei direkt über der Pufferschicht 2 eine Quantenschicht 3a angeordnet ist. Eine Quantenschicht 3a und eine Barriereschicht 3b bilden eine Doppelschicht 3c. Die Quantenschichten 3a bestehen beispielsweise aus In_0.2Ga_0.8N und die Barriereschichten 3b aus GaN. Durch den Indiumgehalt von 20 mol% bezogen auf die Gesamtmenge an Indium und Gallium ist der Konverterpartikel 4 dazu eingerichtet, eine Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums, beispielsweise mit einer Peakwellenlänge von 460 nm, in eine Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge von etwa 490 nm zu konvertieren. Eine Vollkonversion der Primärstrahlung kann dabei erfolgen, wenn die Quantenstruktur 3 aus 120 bis 200 Doppelschichten 3c besteht, und eine Teilkonversion, wenn die Quantenstruktur 3 aus fünf bis 120, bevorzugt zehn bis 50 Doppelschichten 3c besteht. Die Pufferschicht 2 und die Quantenstruktur 3 sind auf dem Substrat 1 aus Saphir epitaktisch aufgewachsen. Beispielweise weisen die Quantenschichten 3a eine Schichtdicke von 2,9 nm und die Barriereschichten 3b eine Schichtdicke von 16 nm auf.
2A zeigt verschiedene Ausführungsformen eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Der Konverterpartikel 4 besteht aus einem Substrat 1, einer Pufferschicht 2 (nicht gezeigt) und einer Quantenstruktur 3. Das Substrat 1 ist ein Saphirsubstrat, auf dem die Pufferschicht 2 und die Quantenstruktur 3 epitaktisch aufgewachsen sind. Das Substrat 1 kann dabei rechteckig, quadratisch (nicht gezeigt), fünfeckig, sechseckig oder in Form eines Kegelstumpfes, ausgeformt sein. Je nach Geometrie des Substrats kann die Lichtauskopplung an die entsprechenden Anforderungen angepasst werden.
2B zeigt eine Ausführungsform eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Der Konverterpartikel 4 besteht aus einem Substrat 1, einer Pufferschicht 2 und einer Quantenstruktur 3. Die Schichtdicke der Quantenstruktur d_Q kann beispielsweise unter 10 µm liegen, die laterale Ausdehnung A zwischen 0,5 µm und 200 µm und die Schichtdicke des Substrats d_S bei 5 µm bis 150 µm.
2C zeigt eine Ausführungsform eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht, der nur aus der Quantenstruktur 3 besteht.
2D zeigt eine Ausführungsform eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Der Konverterpartikel 4 umfasst eine Hülle 5 und einen Kern 6, der aus der Quantenstruktur 3 und der Pufferschicht 2 besteht.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements 100, insbesondere einer lichtemittierenden Diode. Das optoelektronische Bauelement 100 weist einen Halbleiterchip 11 auf, der im Betrieb Primärstrahlung im blauen Bereich des des elektromagnetischen Spektrums, beispielsweise mit einer Peakwellenlänge von 460 nm, emittiert. Der Halbleiterchip 11 basiert beispielsweise auf Indiumgalliumnitrid. Der Halbleiterchip 11 ist auf einem ersten elektrischen Anschluss 8 befestigt und elektrisch mit dem ersten elektrischen Anschluss 8 kontaktiert. Über einen Bonddraht 10, beispielsweise aus Gold, ist der Halbleiterchip 11 mit einem zweiten elektrischen Anschluss 9 kontaktiert.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste und zweite elektrische Anschluss 8, 9 in ein lichtundurchlässiges, zum Beispiel vorgefertigtes, Gehäuse 7 mit einer Ausnehmung 12 eingebettet. Unter „vorgefertigt“ ist zu verstehen, dass das Gehäuse 7 bereits an den Anschlüssen 8, 9 beispielsweise mittels Spritzguss fertig gebildet ist, bevor der Halbleiterchip 11 auf die Anschlüsse 8, 9 montiert wird. Das Gehäuse 7 umfasst zum Beispiel einen lichtundurchlässigen Kunststoff, wie ein Polyphthalamid, und die Ausnehmung 12 ist als Reflektor für die Primärstrahlung und Sekundärstrahlung ausgebildet, wobei die Reflexion durch das Gehäusematerial oder gegebenenfalls durch eine geeignete Beschichtung der Innenwände der Ausnehmung 12 realisiert werden kann. Die Anschlüsse 8, 9 sind aus einem Metall gebildet, beispielsweise aus Ag oder Al, das eine Reflektivität für die Primärstrahlung größer als 60 %, bevorzugt größer als 70 %, besonders bevorzugt größer als 80 %, aufweist.
Das Konversionselement 15 ist beim Ausführungsbeispiel der 3 in Form eines Vergusses 13 ausgebildet und füllt die Ausnehmung 12 aus. Dabei umfasst das Konversionselement 15 ein Silikon oder ein Epoxid, in dem Konverterpartikel 4 und Leuchtstoffpartikel 14 eingebettet sind. Die Konverterpartikel 4 und die Leuchtstoffpartikel 14 sind in dem Konversionselement 15 homogen verteilt. Möglich ist auch, dass die Konverterpartikel 4 und die Leuchtstoffpartikel 14 durch Sedimentation an der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips und dem Gehäuseboden GB konzentriert sind. Als Leuchtstoff wird beispielsweise Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺ eingesetzt. Der Leuchtstoff ist dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich und einer Halbwertsbreite unter 85 nm zu konvertieren.
Die Konverterpartikel 4 umfassen beispielsweise ein Substrat, beispielweise aus Saphir, und eine darüber angeordnete Pufferschicht aus GaN. Über der Pufferschicht ist die Quantenstruktur angeordnet. Die Quantenstruktur besteht aus Quantenschichten und Barriereschichten, die alternierend angeordnet sind, wobei direkt über der Pufferschicht eine Quantenschicht angeordnet ist. Die Quantenschichten bestehen beispielsweise aus In_0.4Ga_0.6N und die Barriereschichten aus GaN. Durch den Indiumgehalt von 40 mol%, bezogen auf die Gesamtmenge an Indium und Gallium, sind die Konverterpartikel dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise in eine Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge von etwa 580 nm und einer Halbwertsbreite unter 50 nm zu konvertieren. Die Quantenstruktur besteht aus zehn bis 50 Doppelschichten, wobei eine Doppelschicht aus einer Quantenschicht und einer Barriereschicht besteht. Beispielweise weisen die Quantenschichten 3a eine Schichtdicke von 2,9 nm und die Barriereschichten 3b eine Schichtdicke von 16 nm auf.
Die Gesamtstrahlung setzt sich aus der Primärstrahlung und den Sekundärstrahlungen im grünen und roten Spektralbereich zusammen und erzeugt beim Betrachter einen weißen Leuchteindruck. Die Gesamtstrahlung weist bevorzugt eine Farbtemperatur von 5000 K bis 20000 K auf und liegt damit bevorzugt in der Nähe der Planck'schen Strahlungskurve oder in der Nähe der jeweiligen Isothermen. Im CIE-Farbdiagramm (1931) liegen die Farbkoordinaten des Bauelements beispielsweise bei Farborten im Bereich von Cx 0,20 - 0,40 und Cy 0,20 - 0,40, bevorzugt im Bereich von Cx 0,22 - 0,35 und Cy 0,22 - 0,35. Der Farbort bezeichnet Punkte in oder auf einem Farbkörper, welcher im Farbraum mit geeigneten Koordinaten in seiner Lage beschrieben wird. Der Farbort repräsentiert die für einen Betrachter wahrgenommene Farbe. Die Gesamtstrahlung wird nach oben über das Konversionselement 15 abgestrahlt.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 enthält das Konversionselement 15 im Unterschied zu dem Bauelement in 3 keine Leuchtstoffpartikel. Die Konverterpartikel 4 sind dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums vollständig oder nahezu vollständig in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Die Quantenstruktur der Konverterpartikel 4 besteht aus 120 bis 200 Doppelschichten, wobei eine Doppelschicht aus einer Quantenschicht und einer Barriereschicht besteht. Die Konverterpartikel 4 sind durch Sedimentation an der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips und dem Gehäuseboden GB des Konversionselements 15 konzentriert. Möglich ist aber auch eine homogene Verteilung der Konverterpartikel 4 in dem Konversionselement 15.
Die Gesamtstrahlung besteht vollständig oder nahezu vollständig aus der Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich.
Alternativ können die Konverterpartikel 4 dazu eingerichtet sein, die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Die Gesamtstrahlung setzt sich gemäß dieser alternativen Ausführungsform aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich zusammen.
Der Anteil an Primärstrahlung kann an der Gesamtstrahlung zwischen 0 und 99 % liegen, wobei 0 % einer Vollkonversion entspricht. Die Farborte der Gesamtstrahlung liegen im CIE-Farbdiagramm auf der Konversionslinie zwischen den Farborten der reinen Primärstrahlung und den reinen Farborten der Sekundärstrahlung.
In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist im Unterschied zu dem Bauelement in 3 das Konversionselement 15 als Schicht ausgebildet. Die Schicht kann aufgesprüht oder aufgedruckt sein. Das Konversionselement 15 ist über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 11 angeordnet. Insbesondere kann zwischen dem Konversionselement 15 und dem Halbleiterchip 11 eine Haftschicht (nicht gezeigt), beispielweise aus Silikon, angeordnet sein. In der Ausnehmung 12 des Gehäuses 7 ist ein Verguss 13 angeordnet, der insbesondere transparent für die Sekundärstrahlung oder die die Sekundärstrahlung und die Primärstrahlung ausgebildet ist.
In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist im Unterschied zu dem Bauelement in 4 das Konversionselement 15 als Schicht ausgebildet. Das Konversionselement 15 ist über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 11 angeordnet. Insbesondere kann zwischen dem Konversionselement 15 und dem Halbleiterchip 11 eine Haftschicht (nicht gezeigt), beispielweise aus Silikon, angeordnet sein. In der Ausnehmung 12 des Gehäuses 7 ist ein Verguss 13 angeordnet, der insbesondere transparent für die Sekundärstrahlung und die Primärstrahlung ausgebildet ist.
In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist ein Halbleiterchip 11 auf einem Substrat 16 angeordnet. Das Substrat 16 ist reflektierend für die Primärstrahlung ausgebildet. Über dem Substrat 16 und über den Seitenflächen des Halbleiterchips 11a ist eine erste reflektierende Schicht 17a angeordnet. Der Halbleiterchip 11 emittiert die Primärstrahlung damit nur über die Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA. Das Konversionselement 15 ist als Schicht ausgebildet. Das Konversionselement 15 ist über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips 11 und über der ersten reflektierenden Schicht 17a angeordnet. Zwischen dem Konversionselement 15 und der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA und zwischen dem Konversionselement 15 und der ersten reflektierenden Schicht 17a kann eine Haftschicht (nicht gezeigt) angeordnet sein. Das Konversionselement 15 enthält ein Matrixmaterial und Konverterpartikel 4. Die Konverterpartikel 4 können wie in den 1, 2, 3 oder 4 beschrieben ausgebildet sein. Zusätzlich können Leuchtstoffpartikel von dem Konversionselement 15 umfasst sein, die die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren. Über dem Konversionselement 15 ist eine zweite reflektierende Schicht 17b angeordnet. Die reflektierenden Schichten 17a und 17b umfassen beispielsweise Titandioxid-Partikel. Die Titandioxid-Partikel können in einem Matrixmaterial wie Silikon eingebettet sein. Beispielsweise enthalten die reflektierenden Schichten 17a, 17b 10 bis 99 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 80 Vol.-% Titandioxid-Partikel in Bezug auf das Gesamtvolumen der reflektierenden Schichten 17a, 17b. Die reflektierenden Schichten 17a, 17b sind insbesondere reflektierend für die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung ausgebildet.
Alternativ kann anstelle der reflektierenden Schicht 17a auch hier das Konversionselement 15 ausgebildet sein. In dieser alternativen Ausführungsform sind die Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips sowie die Seitenflächen des Halbleiterchips 11a von dem Konversionselement 15 bedeckt.
Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel seitlich über das Konversionselement 15 abgestrahlt.
In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist im Gegensatz zu dem in 7 gezeigten Bauelement das Konversionselement 15 nur über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips angeordnet. Über den Seitenflächen des Konversionselements 15a und der ersten reflektierenden Schicht 17a ist ein transparenter Verguss 13 angeordnet, beispielsweise aus Silikon. Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel seitlich über das Konversionselement 15 und über den Verguss 13 nach außen abgestrahlt.
In dem in 9A dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist ein Konversionselement 15 über einem Halbleiterchip 11 angeordnet. Der Halbleiterchip 11 ist auf einem ersten elektrischen Anschluss 8 und einem zweiten elektrischen Anschluss 9 angeordnet und elektrisch kontaktiert. Der Halbleiterchip 11 emittiert eine Primärstrahlung im blauen Spektralbereich. Das Konversionselement 15 ist als Schicht ausgebildet. Zwischen dem Konversionselement 15 und der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA kann eine Haftschicht (nicht gezeigt) angeordnet sein. Das Konversionselement 15 enthält ein Matrixmaterial, Leuchtstoffpartikel 14 und Konverterpartikel 4. Die Leuchtstoffpartikel 14 und die Konverterpartikel 4 können wie in den 1, 2, 3 oder 4 beschrieben ausgebildet sein. Über den Seitenflächen des Konversionselements 15a und den Seitenflächen des Halbleiterchips 11a ist eine reflektierende Schicht 17 angeordnet. Die reflektierende Schicht 17 umfasst beispielsweise Titandioxid-Partikel. Die Titandioxid-Partikel können in einem Matrixmaterial wie Silikon eingebettet sein. Beispielsweise enthält die reflektierende Schicht 10 bis 99 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 80 Vol.-% Titandioxid-Partikel in Bezug auf das Gesamtvolumen der reflektierenden Schicht 17. Die reflektierende Schicht 17 ist reflektierend für die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung ausgebildet. Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel nach oben über das Konversionselement 15 abgestrahlt. Insbesondere handelt es sich bei der Gesamtstrahlung um weiße Strahlung aus einer Überlagerung der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlungen im grünen und roten Spektralbereich.
In dem in 9B dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist ein Konversionselement 15 über einem Halbleiterchip 11 und einer reflektierenden Schicht 17 angeordnet. Der Halbleiterchip 11 ist auf einem ersten elektrischen Anschluss 8 und einem zweiten elektrischen Anschluss 9 angeordnet und elektrisch kontaktiert. Der Halbleiterchip 11 emittiert eine Primärstrahlung im blauen Spektralbereich. Das Konversionselement 15 ist als Schicht ausgebildet. Zwischen dem Konversionselement 15 und der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips 11 kann eine Haftschicht (nicht gezeigt) angeordnet sein. Das Konversionselement 15 enthält ein Matrixmaterial und Konverterpartikel 4. Die Konverterpartikel 4 können wie in den 1, 2, 3 oder 4 beschrieben ausgebildet sein. Über den Seitenflächen des Halbleiterchips 11a ist die reflektierende Schicht 17 angeordnet. Die reflektierende Schicht 17 umfasst beispielsweise Titandioxid-Partikel. Die reflektierende Schicht 17 ist reflektierend für die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung ausgebildet. Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel nach oben und seitlich über das Konversionselement 15 abgestrahlt.
In dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 enthält das Konversionselement 15 im Unterschied zu dem Bauelement in 9A keine Leuchtstoffpartikel. Die Konverterpartikel 4 sind dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise oder vollständig beziehungsweise nahezu vollständig in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Die Farborte der Gesamtstrahlung liegen im CIE-Farbdiagramm auf der Konversionslinie zwischen den Farborten der reinen Primärstrahlung und den reinen Farborten der Sekundärstrahlung. Der Anteil an Primärstrahlung kann an der Gesamtstrahlung zwischen 0 und 99 % liegen.
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: Substrat
2: Pufferschicht
3: Quantenstruktur
3a: Quantenschicht
3b: Barriereschicht
3c: Doppelschicht
4: Konverterpartikel
5: Hülle
6: Kern
7: Gehäuse
8: erster elektrischer Anschluss
9: zweiter elektrischer Anschluss
10: Bonddraht
11: Halbleiterchip
11a: Seitenfläche des Halbleiterchips
12: Ausnehmung
13: Verguss
14: Leuchtstoffpartikel
15: Konversionselement
15a: Seitenfläche des Konversionselements
16: Substrat des optoelektronischen Bauelements
17a: erste reflektierende Schicht
17: reflektierende Schicht
17b: erste reflektierende Schicht
d_S: Schichtdicke des Substrats
d_Q: Schichtdicke der Quantenstruktur
A: laterale Ausdehnung
SA: Hauptstrahlungsaustrittsfläche
GB: Gehäuseboden
100: optoelektronisches Bauelement

Claims

Optoelektronisches Bauelement (100) umfassend - einen Halbleiterchip (11), der dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren, - ein Konversionselement (15) umfassend Konverterpartikel (4), die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren, wobei die Konverterpartikel (4) eine Quantenstruktur (3) mit Barriereschichten (3b) und Quantenschichten (3a) aufweisen und die Quantenschichten (3a) und die Barriereschichten (3b) alternierend angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Quantenschichten (3a) eine Schichtdicke von einschließlich 2 nm bis einschließlich 5 nm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschichten (3b) eine Schichtdicke von einschließlich 1,5 nm bis einschließlich 100 nm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenschichten (3a) In_xGa_1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4, aufweisen oder aus In_xGa_1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4, bestehen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschichten (3b) Al_yGa_1-yN mit 0,0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,4, aufweisen oder aus Al_yGa_1-yN mit 0,0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,4, bestehen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Barriereschicht (3b) und eine Quantenschicht (3a) jeweils eine Doppelschicht (3c) bilden und wobei die Konverterpartikel (4) einschließlich fünf bis einschließlich 200 Doppelschichten (3c) aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 6, wobei eine Doppelschicht (3c) eine Schichtdicke von einschließlich 3,5 nm bis einschließlich 105 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenschichten (3a) und Barriereschichten (3b) auf einem Substrat (1) angeordnet und/oder aufgewachsen sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektromagnetische Primärstrahlung eine Peakwellenlänge im Bereich von einschließlich 350 nm bis 480 nm und die Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums eine Peakwellenlänge im Bereich von einschließlich 500 nm bis 600 nm oder 570 nm bis 680 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterpartikel (4) eine Schichtdicke von einschließlich 0,5 nm bis einschließlich 200 µm, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 100 µm, besonders bevorzugt von einschließlich 5 nm bis einschließlich 30 µm, aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterpartikel (3a) einen Kern (6) und eine Hülle (5) aufweisen, wobei der Kern (6) die Quantenstruktur (3) umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (15) ein Matrixmaterial umfasst, in dem die Konverterpartikel (4) eingebettet sind.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (15) ein Matrixmaterial umfasst, in dem die Konverterpartikel (4) eingebettet sind und die Konverterpartikel (4) einen Kern (6) und eine Hülle (5) aufweisen, wobei der Kern (6) die Quantenstruktur (3) umfasst und wobei die Hülle (5) aus einem Material gebildet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex des Matrixmaterials und dem Brechungsindex des Kerns (6) liegt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das dazu eingerichtet ist, eine weiße Gesamtstrahlung zu emittieren, wobei das Konversionselement (15) Leuchtstoffpartikel umfasst, die dazu eingerichtet sind, die Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich zu konvertieren.