WO2018184869A1 - Wavelength converter and optoelectronic component - Google Patents
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- C09K11/883—Chalcogenides with zinc or cadmium
Definitions
- the present invention relates to a wavelength converter and an optoelectronic component.
- Wavelength converter optoelectronic devices which convert light emitted from one optoelectronic semiconductor chip to light of another wavelength are known in the art. Is also known to use quantum dots in such ⁇ wavelength converters for wavelength conversion.
- An object of the present invention is to provide a wavelength converter. Another object of the present invention is to provide an optoelectronic device. These objects are achieved by a wavelength converter and by an optoelectronic component having the features of the independent claims. In the dependent claims various developments are given.
- a wavelength converter comprises at least one quantum dot enveloped in an optical dish.
- the optical shell of the quantum dot of this wavelength converter can form an optical resonator, by means of which, by utilizing the Purcell effect, coupling modes of a pump light exciting the quantum dot and / or a converted light which can be emitted by the quantum dot to the quantum dot is improved becomes. This makes it possible to increase a probability of absorption and / or emission ⁇ probability of the quantum dot optical cup. This can the wavelength converter advantageously have a high conversion efficiency.
- the wavelength converter will have a plurality of similar quantum dots, which are each encased in an optical shell.
- the wavelength converter can achieve a higher conversion efficiency than conventional wavelength converters due to the high conversion efficiency of its quantum dots with the same number of quantum dots per volume of the wavelength converter.
- a comparable conversion efficiency can be achieved as with conventional wavelength converters.
- a reduced number of quantum dots per volume of the wavelength converter can result in cost savings. If the quantum dots contain cadmium, a reduced number of quantum dots per volume of the wavelength converter can also result in a reduced environmental impact.
- the quantum dot has a quantum dot core and a quantum dot shell enclosing the quantum dot core.
- the optical shell envelops the quantum dot shell.
- the quantum dot core has CdSe while the quantum dot shell has CdS.
- quantum dots comprising this combination of materials are suitable for wavelength conversion in the visible spectral range or in adjacent ones
- quantum dots are particularly well suited for use in wavelength converters.
- the quantum dot is formed, light having a wavelength of 450 nm to absorb and emit light with a wavelength of 620 nm.
- the quantum dot and thus the wavelength converter in this case are suitable for converting blue light into light having a wavelength from the orange-red spectral range.
- the wavelength converter is suitable, for example, for producing white mixed light.
- the wavelength converter of the quantum dot has a radius between 10 nm and 20 nm, wherein ⁇ play a radius of 15 nm.
- the quantum dots are having a radius in this size range particularly suitable for use in wavelength converters.
- the optical shell comprises a transparent material. It is particularly advantageous if the material of the optical cup in the wavelength range of the pump light with which the quantum dot can be excited, and / or in the wavelength range of abstrahlbaren of the quantum dot emission ⁇ light, has high transparency.
- losses caused by the optical shell of the quantum dot of the wavelength converter are thereby small.
- the material of the optical shell comprises Al 2 O 3 .
- Al 2 O 3 has a high transparency in many applications for a wavelength converter ⁇ relevant wavelength regions.
- an Al 2 O 3 -containing optical dish is suitable for use in a wavelength converter designed to convert light having a wavelength from the blue spectral region to light having a wavelength from the yellow, orange or red spectral region.
- the optical shell has a thickness between 100 nm and 800 nm, in particular a thickness between 300 nm and 500 nm, in particular particular a thickness of between 400 nm and 450 nm, particularly a thickness between 410 nm and 425 nm.
- Model calculations and experimental results indicate that the quantum ⁇ dots, which are wrapped in an optical cup of such a thickness that can have a particularly high conversion efficiency.
- this has a matrix material.
- the quantum dot is embedded in the matrix material.
- the wavelength converter can thereby be processed in a simple manner and arranged in an optoelectronic component.
- the matrix material comprises a silicone. This is advantageous
- An optoelectronic component comprises an optoelectronic ⁇ African semiconductor chip and a wavelength converter of the aforementioned type.
- the wavelength converter of this optoelectronic component can serve to at least partially convert light emitted by the optoelectronic semiconductor chip into light of another wavelength.
- the wavelength converter can serve light emitted by the optoelectronic semiconductor chip with a wavelength from the blue or ultraviolet
- the wavelength converter may advantageously have a particularly high conversion efficiency.
- the optoelectronic semiconductor chip can be, for example, a light-emitting diode chip (LED chip).
- FIG. 1 shows a sectional side view of an optoelectronic component with an optoelectronic component
- Figure 2 is a sectional side view of the wavelength converter ⁇
- FIG. 3 shows a first shell thickness dependency diagram
- FIG. 4 shows a second shell thickness dependency diagram.
- FIG. 1 shows a sectional side view of an opto ⁇ electronic component 100 in a schematic representation.
- the optoelectronic component 100 is intended to emit electromagnetic radiation, for example visible
- the optoelectronic component 100 may for example be provided to testify white light ⁇ to it.
- the optoelectronic component 100 may ⁇ example, a light emitting device (LED) device be.
- the optoelectronic component 100 has an optoelectronic semiconductor chip 200.
- the optoelectronic semi ⁇ conductor chip 200 can be for example a light emitting diode chip (LED chip).
- the optoelectronic semiconductor chip 200 is adapted to emit electromagnetic radiation with a wave length ⁇ from a pump wavelength range. Examples game, the optoelectronic semiconductor chip 200 may be configured to emit electromagnetic radiation with a Wel ⁇ lenmother from the blue or ultraviolet spectral range.
- the of the optoelectronic semiconductor chip 200 emitted electromagnetic radiation can, for example ⁇ have a wavelength between 320 nm and 500 nm. Electromagnetic radiation emitted by the optoelectronic semiconductor chip 200 is referred to below as pumping light 110.
- the optoelectronic semiconductor chip 200 is designed as a surface-emitting light-emitting diode chip.
- the optoelectronic semiconductor chip 200 emitted pumping light 110 of the optoelectronic semiconductor chip 200 from ⁇ is irradiated at a Strahlungsemissi ⁇ ons Design 210th
- the optoelectronic semiconductor chip 200 could, however, also be embodied, for example, as a volume-emitting LED chip. In this case, pump light 110 emitted by the opto-electronic semiconductor chip 200 would also be emitted at side surfaces of the optoelectronic semiconductor chip 200.
- the optoelectronic device 100 further includes a wavelength converter 300.
- the wavelength converter 300 is provided, at least to convert a part of light emitted from the optoelekt ⁇ tronic semiconductor chip 200 of the optoelectronic component 100 pumping light 110 in converted light 120 having a wavelength of a Konversionswellendorfn- area. In this case 120, the converted light has a longer wavelength than the pumping light 110.
- ⁇ play which may converted by the wavelength converter 300 light 120 having a wavelength in the red, oran ⁇ gen, yellow or green spectral range.
- the converted light 120 may have a wavelength between 500 nm and 800 nm.
- wavelength conversion by the wavelength converter 300 by at least a part of the light emitted by the opto-electronic ⁇ semiconductor chip 200 pump light is absorbed in the wavelength converter 300 110th
- the absorbed energy is the wavelength converter 300 at least in part by radiation of the converted light 120 again.
- FIG. 2 shows a highly schematic representation of the WEL leninkonverters 300 of the optoelectronic device 100.
- the wavelength converter 300 includes a matrix material 310 and at least one Schemebet ⁇ ended in the matrix material 310 to the quantum dot 400.
- the Wellenlän ⁇ genkonverter 300 will have a very large number of similarly-trained and the matrix material 310 embedded quantum dots 400th
- only one of these quantum dots 400 is shown in the schematic representation of FIG.
- the matrix material 310 of the wavelength converter 300 may comprise, for example, a silicone.
- the matrix material 310 of the wavelength converter 300 may also include an epoxide, egg ⁇ ne mixture of an epoxide and a silicone or another material.
- the quantum dot 400 is designed to light emitted from the optoelekt ⁇ tronic semiconductor chip 200 pump light 110 to absorb at a wavelength from the pump wavelength range. After absorption of a photon of the pumping light 110 of the quantum dot 400 may emit a quantum of converting light 120 having a wavelength from the Konversionswellendorfnbe ⁇ rich.
- the quantum dot 400 may be configured to absorb pump light 110 having a wavelength of 450 nm emitted by the optoelectronic semiconductor chip 200. Further, the quantum dot 400 may be configured to emit converted light 120 having a wavelength of 620 nm, for example.
- the quantum dot 400 has a quantum dot core 410 and a quantum dot shell 420 enveloping the quantum dot core 410.
- the quantum dot core 410 may include, for example, CdSe.
- the quantum dot shell 420 may include, for example, CdS.
- the quantum dot 400 but could also have other materials. It is also possible that the quantum dot 400 is not formed with the quantum dot core ⁇ 410 and quantum dot shell 420, but for example, as material unitary body.
- the quantum dot 400 is formed in the illustrated example in wesent ⁇ union spherical and has a radius 401 on.
- the radius 401 of the quantum dot 400 may be, for example, between 10 nm and 20 nm.
- the radius 401 of the quantum dot 400 may be 15 nm.
- the wavelength converter 300 comprises a plurality of quantum dots 400, so preferably, all of the quantum dots 400 Wel ⁇ lenidenkonverters 300 has a similar shape and size.
- the indicated values of the radius 401 may, for example, form a median value (D50 value) of the radii 401 of the quantum dots 400.
- the quantum dot 400 is enveloped in an optical shell 500.
- the optical cup 500 has, in the illustrated case ⁇ match the shape of a spherical shell having a thickness of 501.
- the optical shell 500 has a dielectric material which has the highest possible transparency in the pump wavelength range and in the conversion wavelength range.
- the optical cup 500 may include Al 2 O 3.
- Al ternatively, the optical ⁇ shell 500 could have, for example, Ti0 2 or Si0. 2
- the quantum dot 400 enveloping optical cup 500 bil ⁇ det a resonator of a coupling of modes
- the refractive indices of the materials of the quantum dot 400, the optical shell 500 and the matrix material 310, and the radius 401 of the quantum dot 400 and the thickness 501 of the optical shell 500 are matched to one another such that the optical shell 500 is the coupling of modes of the
- the mentioned parameters are selected such that both the coupling of modes of the pumping light 110 to the quantum dot 400 and the coupling of modes of the converted light 120 to the quantum dot 400 are increased relative to a situation without an optical shell 500.
- Suitable values of these parame ⁇ ter can be experimentally or by modeling ER auxiliaries.
- FIG. 3 shows a schematic representation of a first shell thickness dependency diagram 600.
- FIG. 4 shows a schematic representation of a second shell thickness dependency graph 601.
- the first shell thickness dependency graph 600 and the second shell thickness dependency graph 601 provide a dependence of the coupling of modes of the pump light 110 and of the Coupling of modes of the converted light 120 to the quantum dot 400 as a function of each filedtra ⁇ on the horizontal axis thickness 501 of the optical shell 500 at.
- the model calculations shown in Figures 3 and 4 were carried out for the case that the quantum dot of the quantum dot core 410 having 400 CdSe, while the quantum dot ⁇ cup 420 of the quantum dot comprises 400 CdS.
- the radius 401 of the quantum dot 400 in the model is 15 nm.
- the pumping light 110 has a wavelength of 450 nm in the model.
- the converted light 120 has a wavelength of 620 nm in the case of the model calculation.
- the optical shell 500 of the quantum dot 400 has
- an absorption profile 610 gives the dependence of the probability of absorption of a quantum of the pumping light 110 by the quantum dot 400 as a function of
- an emission profile 620 indicates the probability of emission of a quantum of the converted light 120 by the quantum dot 400 as a function of the thickness 501 of the optical shell 500. It can be seen that in a favorable thickness range 502 of the thickness 501 both the probability of absorption of a quantum of the pumping light 110 by the quantum dot 400 and the probability of emission of a quantum of the converted light 120 by the quantum dot 400 have high values.
- the favorable thickness range 502 is located in the illustrated example, approximately between 410 nm and 425 nm, in particular ⁇ sondere at about 420 nm.
- the thickness 501 of optical cup 500 for example between 100 nm and 800 nm, insbesonde ⁇ re between 300 nm and 500 nm, in particular between 400 nm and 450 nm.
- the invention has been based on the preferred109sbei ⁇ games further illustrated and described. However, the invention is not limited to the disclosed examples. Rather, other variations can be deducted from this by the expert. be directed, without departing from the scope of the invention.
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Abstract
Description
WELLENLÄNGENKONVERTER UND OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT WAVELENGTH CONVERTER AND OPTOELECTRONIC COMPONENT
BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenlängenkonverter sowie ein optoelektronisches Bauelement. DESCRIPTION The present invention relates to a wavelength converter and an optoelectronic component.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 107 429.5, deren Offenbarungsge- halt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. This patent application claims the priority of German Patent Application DE 10 2017 107 429.5, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Optoelektronische Bauelemente mit Wellenlängenkonvertern, die von einem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht in Licht einer anderen Wellenlänge konvertieren, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ebenfalls bekannt ist, Quanten¬ punkte in derartigen Wellenlängenkonvertern zur Wellenlängenkonversion einzusetzen. Wavelength converter optoelectronic devices which convert light emitted from one optoelectronic semiconductor chip to light of another wavelength are known in the art. Is also known to use quantum dots in such ¬ wavelength converters for wavelength conversion.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wellenlängenkonverter bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch einen Wellenlängenkonverter und durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche ge- löst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben. An object of the present invention is to provide a wavelength converter. Another object of the present invention is to provide an optoelectronic device. These objects are achieved by a wavelength converter and by an optoelectronic component having the features of the independent claims. In the dependent claims various developments are given.
Ein Wellenlängenkonverter umfasst mindestens einen Quantenpunkt, der in eine optische Schale eingehüllt ist. Die opti- sehe Schale des Quantenpunkts dieses Wellenlängenkonverters kann einen optischen Resonator bilden, durch den, unter Ausnutzung des Purcell-Effekts , eine Ankopplung von Moden eines den Quantenpunkt anregenden Pumplichts und/oder eines von dem Quantenpunkt abstrahlbaren konvertierten Lichts an den Quan- tenpunkt verbessert wird. Dadurch kann die optische Schale eine Absorptionswahrscheinlichkeit und/oder eine Emissions¬ wahrscheinlichkeit des Quantenpunkts erhöhen. Hierdurch kann der Wellenlängenkonverter vorteilhafterweise eine hohe Konversionseffizienz aufweisen. A wavelength converter comprises at least one quantum dot enveloped in an optical dish. The optical shell of the quantum dot of this wavelength converter can form an optical resonator, by means of which, by utilizing the Purcell effect, coupling modes of a pump light exciting the quantum dot and / or a converted light which can be emitted by the quantum dot to the quantum dot is improved becomes. This makes it possible to increase a probability of absorption and / or emission ¬ probability of the quantum dot optical cup. This can the wavelength converter advantageously have a high conversion efficiency.
In der Regel wird der Wellenlängenkonverter eine Vielzahl gleichartiger Quantenpunkte aufweisen, die jeweils in eine optische Schale eingehüllt sind. Vorteilhafterweise kann der Wellenlängenkonverter durch die hohe Konversionseffizienz seiner Quantenpunkte bei gleicher Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters eine höhere Konversi- onseffizienz erzielen als herkömmliche Wellenlängenkonverter. Alternativ kann mit einer reduzierten Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters eine vergleichbare Konversionseffizienz wie bei herkömmlichen Wellenlängenkonvertern erzielt werden. Durch eine reduzierte Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters können sich Kosteneinsparungen ergeben. Falls die Quantenpunkte Cad- mium aufweisen, kann sich aus einer reduzierten Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters auch eine reduzierte Umweltbelastung ergeben. In general, the wavelength converter will have a plurality of similar quantum dots, which are each encased in an optical shell. Advantageously, the wavelength converter can achieve a higher conversion efficiency than conventional wavelength converters due to the high conversion efficiency of its quantum dots with the same number of quantum dots per volume of the wavelength converter. Alternatively, with a reduced number of quantum dots per volume of the wavelength converter, a comparable conversion efficiency can be achieved as with conventional wavelength converters. A reduced number of quantum dots per volume of the wavelength converter can result in cost savings. If the quantum dots contain cadmium, a reduced number of quantum dots per volume of the wavelength converter can also result in a reduced environmental impact.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist der Quantenpunkt einen Quantenpunktkern und eine den Quantenpunktkern umhüllende Quantenpunktschale auf. Dabei hüllt die optische Schale die Quantenpunktschale ein. Vorteilhafter- weise eignen sich Quantenpunkte mit einer einen Quantenpunkt¬ kern und eine Quantenpunktschale aufweisenden Struktur besonders gut zur Verwendung zur Wellenlängenkonversion. In one embodiment of the wavelength converter, the quantum dot has a quantum dot core and a quantum dot shell enclosing the quantum dot core. The optical shell envelops the quantum dot shell. Vorteilhafter- as suitable quantum dots having a quantum dot ¬ core and a shell quantum dot-containing structure particularly suitable for use for wavelength conversion.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist der Quantenpunktkern CdSe auf, während die Quantenpunktschale CdS aufweist. Vorteilhafterweise eignen sich Quantenpunkte, die diese Materialkombination aufweisen, zur Wellenlängenkonversion im sichtbaren Spektralbereich oder in angrenzenden In one embodiment of the wavelength converter, the quantum dot core has CdSe while the quantum dot shell has CdS. Advantageously, quantum dots comprising this combination of materials are suitable for wavelength conversion in the visible spectral range or in adjacent ones
Spektralbereichen. Dadurch sind solche Quantenpunkte beson- ders gut zur Verwendung in Wellenlängenkonvertern geeignet. Spectral regions. As a result, such quantum dots are particularly well suited for use in wavelength converters.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters ist der Quantenpunkt ausgebildet, Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge von 620 nm zu emittieren. Vorteilhafterweise eignen sich der Quantenpunkt und damit der Wellenlängenkonverter in diesem Fall dazu, blaues Licht in Licht mit einer Wellenlänge aus dem orange-roten Spektralbereich zu konvertieren. Dadurch eignet sich der Wellenlängenkonverter beispielsweise zur Erzeugung von weißem Mischlicht. In one embodiment of the wavelength converter, the quantum dot is formed, light having a wavelength of 450 nm to absorb and emit light with a wavelength of 620 nm. Advantageously, the quantum dot and thus the wavelength converter in this case are suitable for converting blue light into light having a wavelength from the orange-red spectral range. As a result, the wavelength converter is suitable, for example, for producing white mixed light.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist der Quantenpunkt einen Radius zwischen 10 nm und 20 nm auf, bei¬ spielsweise einen Radius von 15 nm. Vorteilhafterweise eignen sich Quantenpunkte mit einem Radius in diesem Größenbereich besonders gut zur Verwendung in Wellenlängenkonvertern. In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist die optische Schale ein transparentes Material auf. Dabei ist es insbesondere zweckmäßig, wenn das Material der optischen Schale im Wellenlängenbereich des Pumplichts, mit dem der Quantenpunkt angeregt werden kann, und/oder im Wellenlängen- bereich des von dem Quantenpunkt abstrahlbaren Emissions¬ lichts, eine hohe Transparenz aufweist. Vorteilhafterweise sind dadurch durch die optische Schale des Quantenpunkts des Wellenlängenkonverters bedingte Verluste gering. In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist das Material der optischen Schale AI2O3 auf. Vorteilhafterweise weist AI2O3 in für viele Anwendungszwecke eines Wellenlängen¬ konverters relevanten Wellenlängenbereichen eine hohe Transparenz auf. Beispielsweise eignet sich eine AI2O3 aufweisende optische Schale zur Verwendung in einem Wellenlängenkonverter, der dazu vorgesehen ist, Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben, orangen oder roten Spektralbereich zu konvertieren . In one embodiment of the wavelength converter of the quantum dot has a radius between 10 nm and 20 nm, wherein ¬ play a radius of 15 nm. Advantageously, the quantum dots are having a radius in this size range particularly suitable for use in wavelength converters. In one embodiment of the wavelength converter, the optical shell comprises a transparent material. It is particularly advantageous if the material of the optical cup in the wavelength range of the pump light with which the quantum dot can be excited, and / or in the wavelength range of abstrahlbaren of the quantum dot emission ¬ light, has high transparency. Advantageously, losses caused by the optical shell of the quantum dot of the wavelength converter are thereby small. In one embodiment of the wavelength converter, the material of the optical shell comprises Al 2 O 3 . Advantageously, Al 2 O 3 has a high transparency in many applications for a wavelength converter ¬ relevant wavelength regions. For example, an Al 2 O 3 -containing optical dish is suitable for use in a wavelength converter designed to convert light having a wavelength from the blue spectral region to light having a wavelength from the yellow, orange or red spectral region.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist die optische Schale eine Dicke zwischen 100 nm und 800 nm auf, insbesondere eine Dicke zwischen 300 nm und 500 nm, insbeson- dere eine Dicke zwischen 400 nm und 450 nm, insbesondere eine Dicke zwischen 410 nm und 425 nm. Vorteilhafterweise zeigen Modellrechnungen und experimentelle Ergebnisse, dass Quanten¬ punkte, die in eine optische Schale einer derartigen Dicke eingehüllt sind, eine besonders hohe Konversionseffizienz aufweisen können. In one embodiment of the wavelength converter, the optical shell has a thickness between 100 nm and 800 nm, in particular a thickness between 300 nm and 500 nm, in particular particular a thickness of between 400 nm and 450 nm, particularly a thickness between 410 nm and 425 nm. Advantageously, Model calculations and experimental results indicate that the quantum ¬ dots, which are wrapped in an optical cup of such a thickness that can have a particularly high conversion efficiency.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist dieser ein Matrixmaterial auf. Dabei ist der Quantenpunkt in das Matrixmaterial eingebettet. Vorteilhafterweise kann der Wellenlängenkonverter dadurch auf einfache Weise verarbeitet und in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet werden. In one embodiment of the wavelength converter, this has a matrix material. The quantum dot is embedded in the matrix material. Advantageously, the wavelength converter can thereby be processed in a simple manner and arranged in an optoelectronic component.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist das Matrixmaterial ein Silikon auf. Vorteilhafterweise ist dasIn one embodiment of the wavelength converter, the matrix material comprises a silicone. This is advantageous
Matrixmaterial des Wellenlängenkonverters in diesem Fall kos¬ tengünstig erhältlich, einfach zu verarbeiten und weist eine hohe Beständigkeit auf. Ein optoelektronisches Bauelement umfasst einen optoelektro¬ nischen Halbleiterchip und einen Wellenlängenkonverter der vorgenannten Art. Matrix material of the wavelength converter in this case kos ¬ tengünstig available, easy to work with and has a high resistance. An optoelectronic component comprises an optoelectronic ¬ African semiconductor chip and a wavelength converter of the aforementioned type.
Vorteilhafterweise kann der Wellenlängenkonverter dieses optoelektronischen Bauelements dazu dienen, von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht zumindest teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge zu konvertieren. Beispielsweise kann der Wellenlängenkonverter dazu dienen, von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen oder ultraviolettenAdvantageously, the wavelength converter of this optoelectronic component can serve to at least partially convert light emitted by the optoelectronic semiconductor chip into light of another wavelength. By way of example, the wavelength converter can serve light emitted by the optoelectronic semiconductor chip with a wavelength from the blue or ultraviolet
Spektralbereich in Licht mit einer Wellenlänge aus dem gel¬ ben, orangen oder roten Spektralbereich zu konvertieren. Dabei kann der Wellenlängenkonverter vorteilhafterweise eine besonders hohe Konversionseffizienz aufweisen. Der optoelekt- ronische Halbleiterchip kann beispielsweise ein Leuchtdiodenchip (LED-Chip) sein. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung Spectral range in light with a wavelength from the gel ¬ ben, orange or red spectral range to convert. The wavelength converter may advantageously have a particularly high conversion efficiency. The optoelectronic semiconductor chip can be, for example, a light-emitting diode chip (LED chip). The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments which will be described in connection with the drawings. In each case show in a schematic representation
Figur 1 eine geschnittene Seitenansicht eines optoelektro- nischen Bauelements mit einem optoelektronischenFIG. 1 shows a sectional side view of an optoelectronic component with an optoelectronic component
Halbleiterchip und einem Wellenlängenkonverter; Semiconductor chip and a wavelength converter;
Figur 2 eine geschnittene Seitenansicht des Wellenlängen¬ konverters ; Figure 2 is a sectional side view of the wavelength converter ¬;
Figur 3 ein erstes Schalendickenabhängigkeitsdiagramm; und FIG. 3 shows a first shell thickness dependency diagram; and
Figur 4 ein zweites Schalendickenabhängigkeitsdiagramm. Figur 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines opto¬ elektronischen Bauelements 100 in schematischer Darstellung. Das optoelektronische Bauelement 100 ist dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares FIG. 4 shows a second shell thickness dependency diagram. FIG. 1 shows a sectional side view of an opto ¬ electronic component 100 in a schematic representation. The optoelectronic component 100 is intended to emit electromagnetic radiation, for example visible
Licht, abzustrahlen. Das optoelektronische Bauelement 100 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, weißes Licht zu er¬ zeugen. Das optoelektronische Bauelement 100 kann beispiels¬ weise ein Leuchtdiodenbauelement (LED-Bauelement) sein. Light, to radiate. The optoelectronic component 100 may for example be provided to testify white light ¬ to it. The optoelectronic component 100 may ¬ example, a light emitting device (LED) device be.
Das optoelektronische Bauelement 100 weist einen optoelektro- nischen Halbleiterchip 200 auf. Der optoelektronische Halb¬ leiterchip 200 kann beispielsweise ein Leuchtdiodenchip (LED- Chip) sein. Der optoelektronische Halbleiterchip 200 ist dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellen¬ länge aus einem Pumpwellenlängenbereich zu emittieren. Bei- spielsweise kann der optoelektronische Halbleiterchip 200 ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wel¬ lenlänge aus dem blauen oder ultravioletten Spektralbereich zu emittieren. Die von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittierte elektromagnetische Strahlung kann beispiels¬ weise eine Wellenlänge zwischen 320 nm und 500 nm aufweisen. Von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittierte elektromagnetische Strahlung wird im weiteren Text als Pump- licht 110 bezeichnet. The optoelectronic component 100 has an optoelectronic semiconductor chip 200. The optoelectronic semi ¬ conductor chip 200 can be for example a light emitting diode chip (LED chip). The optoelectronic semiconductor chip 200 is adapted to emit electromagnetic radiation with a wave length ¬ from a pump wavelength range. Examples game, the optoelectronic semiconductor chip 200 may be configured to emit electromagnetic radiation with a Wel ¬ lenlänge from the blue or ultraviolet spectral range. The of the optoelectronic semiconductor chip 200 emitted electromagnetic radiation can, for example ¬ have a wavelength between 320 nm and 500 nm. Electromagnetic radiation emitted by the optoelectronic semiconductor chip 200 is referred to below as pumping light 110.
Im in Figur 1 gezeigten Beispiel ist der optoelektronische Halbleiterchip 200 als oberflächenemittierender Leuchtdiodenchip ausgebildet. Von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 wird an einer Strahlungsemissi¬ onsfläche 210 des optoelektronischen Halbleiterchips 200 ab¬ gestrahlt. Der optoelektronische Halbleiterchip 200 könnte aber beispielsweise auch als volumenemittierender Leuchtdiodenchip ausgebildet sein. In diesem Fall würde von dem opto- elektronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 auch an Seitenflächen des optoelektronischen Halbleiterchips 200 abgestrahlt werden. In the example shown in FIG. 1, the optoelectronic semiconductor chip 200 is designed as a surface-emitting light-emitting diode chip. By the optoelectronic semiconductor chip 200 emitted pumping light 110 of the optoelectronic semiconductor chip 200 from ¬ is irradiated at a Strahlungsemissi ¬ onsfläche 210th The optoelectronic semiconductor chip 200 could, however, also be embodied, for example, as a volume-emitting LED chip. In this case, pump light 110 emitted by the opto-electronic semiconductor chip 200 would also be emitted at side surfaces of the optoelectronic semiconductor chip 200.
Das optoelektronische Bauelement 100 umfasst außerdem einen Wellenlängenkonverter 300. Der Wellenlängenkonverter 300 ist dazu vorgesehen, zumindest einen Teil des von dem optoelekt¬ ronischen Halbleiterchip 200 des optoelektronischen Bauelements 100 emittierten Pumplichts 110 in konvertiertes Licht 120 mit einer Wellenlänge aus einem Konversionswellenlängen- bereich zu konvertieren. Dabei weist das konvertierte Licht 120 eine größere Wellenlänge auf als das Pumplicht 110. Bei¬ spielsweise kann das durch den Wellenlängenkonverter 300 konvertierte Licht 120 eine Wellenlänge aus dem roten, oran¬ gen, gelben oder grünen Spektralbereich aufweisen. Das konvertierte Licht 120 kann beispielsweise eine Wellenlänge zwischen 500 nm und 800 nm aufweisen. The optoelectronic device 100 further includes a wavelength converter 300. The wavelength converter 300 is provided, at least to convert a part of light emitted from the optoelekt ¬ tronic semiconductor chip 200 of the optoelectronic component 100 pumping light 110 in converted light 120 having a wavelength of a Konversionswellenlängen- area. In this case 120, the converted light has a longer wavelength than the pumping light 110. In ¬ play which may converted by the wavelength converter 300 light 120 having a wavelength in the red, oran ¬ gen, yellow or green spectral range. For example, the converted light 120 may have a wavelength between 500 nm and 800 nm.
Die Wellenlängenkonvertierung durch den Wellenlängenkonverter 300 erfolgt, indem zumindest ein Teil des durch den opto¬ elektronischen Halbleiterchip 200 emittierten Pumplichts 110 in dem Wellenlängenkonverter 300 absorbiert wird. Die absorbierte Energie gibt der Wellenlängenkonverter 300 zumindest zum Teil durch Abstrahlung des konvertierten Lichts 120 wieder ab. If the wavelength conversion by the wavelength converter 300, by at least a part of the light emitted by the opto-electronic ¬ semiconductor chip 200 pump light is absorbed in the wavelength converter 300 110th The absorbed energy is the wavelength converter 300 at least in part by radiation of the converted light 120 again.
Figur 2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung des Wel- lenlängenkonverters 300 des optoelektronischen Bauelements 100. Der Wellenlängenkonverter 300 weist ein Matrixmaterial 310 und mindestens einen in das Matrixmaterial 310 eingebet¬ teten Quantenpunkt 400 auf. In der Praxis wird der Wellenlän¬ genkonverter 300 eine sehr große Anzahl von gleichartig aus- gebildeten und das Matrixmaterial 310 eingebetteten Quantenpunkten 400 aufweisen. In der schematischen Darstellung der Figur 2 ist jedoch lediglich einer dieser Quantenpunkte 400 gezeigt . Das Matrixmaterial 310 des Wellenlängenkonverters 300 kann beispielsweise ein Silikon aufweisen. Das Matrixmaterial 310 des Wellenlängenkonverters 300 kann aber auch ein Epoxid, ei¬ ne Mischung eines Epoxids und eines Silikons oder ein anderes Material aufweisen. Figure 2 shows a highly schematic representation of the WEL lenlängenkonverters 300 of the optoelectronic device 100. The wavelength converter 300 includes a matrix material 310 and at least one eingebet ¬ ended in the matrix material 310 to the quantum dot 400. In practice, the Wellenlän ¬ genkonverter 300 will have a very large number of similarly-trained and the matrix material 310 embedded quantum dots 400th However, only one of these quantum dots 400 is shown in the schematic representation of FIG. The matrix material 310 of the wavelength converter 300 may comprise, for example, a silicone. However, the matrix material 310 of the wavelength converter 300 may also include an epoxide, egg ¬ ne mixture of an epoxide and a silicone or another material.
Der Quantenpunkt 400 ist dazu ausgebildet, von dem optoelekt¬ ronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 mit einer Wellenlänge aus dem Pumpwellenlängenbereich zu absorbieren. Nach einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 kann der Quantenpunkt 400 ein Quant des konvertieren Lichts 120 mit einer Wellenlänge aus dem Konversionswellenlängenbe¬ reich emittieren. Beispielsweise kann der Quantenpunkt 400 dazu ausgebildet sein, von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 mit einer Wellenlänge von 450 nm zu absorbieren. Weiter kann der Quantenpunkt 400 beispielsweise dazu ausgebildet sein, konvertiertes Licht 120 mit einer Wellenlänge von 620 nm zu emittieren. The quantum dot 400 is designed to light emitted from the optoelekt ¬ tronic semiconductor chip 200 pump light 110 to absorb at a wavelength from the pump wavelength range. After absorption of a photon of the pumping light 110 of the quantum dot 400 may emit a quantum of converting light 120 having a wavelength from the Konversionswellenlängenbe ¬ rich. For example, the quantum dot 400 may be configured to absorb pump light 110 having a wavelength of 450 nm emitted by the optoelectronic semiconductor chip 200. Further, the quantum dot 400 may be configured to emit converted light 120 having a wavelength of 620 nm, for example.
Der Quantenpunkt 400 weist im dargestellten Beispiel einen Quantenpunktkern 410 und eine den Quantenpunktkern 410 umhüllende Quantenpunktschale 420 auf. Der Quantenpunktkern 410 kann beispielsweise CdSe aufweisen. Die Quantenpunktschale 420 kann beispielsweise CdS aufweisen. Der Quantenpunkt 400 könnte aber auch andere Materialien aufweisen. Ebenfalls möglich ist, dass der Quantenpunkt 400 nicht mit Quantenpunkt¬ kern 410 und Quantenpunktschale 420 ausgebildet ist, sondern beispielsweise als materialeinheitlicher Körper. In the example shown, the quantum dot 400 has a quantum dot core 410 and a quantum dot shell 420 enveloping the quantum dot core 410. The quantum dot core 410 may include, for example, CdSe. The quantum dot shell 420 may include, for example, CdS. The quantum dot 400 but could also have other materials. It is also possible that the quantum dot 400 is not formed with the quantum dot core ¬ 410 and quantum dot shell 420, but for example, as material unitary body.
Der Quantenpunkt 400 ist im dargestellten Beispiel im Wesent¬ lichen kugelförmig ausgebildet und weist einen Radius 401 auf. Der Radius 401 des Quantenpunkts 400 kann beispielsweise zwischen 10 nm und 20 nm liegen. Beispielsweise kann der Ra- dius 401 des Quantenpunkts 400 15 nm betragen. The quantum dot 400 is formed in the illustrated example in wesent ¬ union spherical and has a radius 401 on. The radius 401 of the quantum dot 400 may be, for example, between 10 nm and 20 nm. For example, the radius 401 of the quantum dot 400 may be 15 nm.
Falls der Wellenlängenkonverter 300 mehrere Quantenpunkte 400 aufweist, so weisen bevorzugt alle Quantenpunkte 400 des Wel¬ lenlängenkonverters 300 eine ähnliche Form und Größe auf. Die angegebenen Werte des Radius 401 können beispielsweise einen Medianwert (D50-Wert) der Radien 401 der Quantenpunkte 400 bilden . If the wavelength converter 300 comprises a plurality of quantum dots 400, so preferably, all of the quantum dots 400 Wel ¬ lenlängenkonverters 300 has a similar shape and size. The indicated values of the radius 401 may, for example, form a median value (D50 value) of the radii 401 of the quantum dots 400.
Der Quantenpunkt 400 ist in eine optische Schale 500 einge- hüllt. Die optische Schale 500 weist im dargestellten Bei¬ spiel die Form einer Kugelschale mit einer Dicke 501 auf. The quantum dot 400 is enveloped in an optical shell 500. The optical cup 500 has, in the illustrated case ¬ match the shape of a spherical shell having a thickness of 501.
Die optische Schale 500 weist ein dielektrisches Material auf, das im Pumpwellenlängenbereich und im Konversionswellen- längenbereich eine möglichst hohe Transparenz aufweist. Bei¬ spielsweise kann die optische Schale 500 AI2O3 aufweisen. Al¬ ternativ könnte die optische Schale 500 beispielsweise Ti02 oder Si02 aufweisen. Die den Quantenpunkt 400 einhüllende optische Schale 500 bil¬ det einen Resonator, der eine Ankopplung von Moden des The optical shell 500 has a dielectric material which has the highest possible transparency in the pump wavelength range and in the conversion wavelength range. In ¬ play, the optical cup 500 may include Al 2 O 3. Al ternatively, the optical ¬ shell 500 could have, for example, Ti0 2 or Si0. 2 The quantum dot 400 enveloping optical cup 500 bil ¬ det a resonator of a coupling of modes
Pumplichts 110 und/oder von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 erhöht. Dies ist als Purcell- Effekt bekannt. Durch eine Erhöhung der Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 wird die Wahr¬ scheinlichkeit einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 durch den Quantenpunkt 400 erhöht. Durch eine Erhöhung der Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 wird die Wahrscheinlichkeit einer Emission eines Quants des konvertierten Lichts 120 durch den Quantenpunkt 400 erhöht. Dadurch kann die optische Schale 500 eine Erhöhung einer Konversionseffizienz des Wellenlängenkonver- ters 300 bewirken. Pumplichts 110 and / or converted by modes of the converted light 120 to the quantum dot 400. This is known as the Purcell effect. By increasing the coupling of modes of the pump light 110 to the quantum dot 400, the International ¬ probability of absorption of a photon of the pumping light is increased by the quantum dot 400 110th By increasing the coupling of modes of the converted light 120 to the Quantum dot 400, the probability of emission of a quantum of the converted light 120 is increased by the quantum dot 400. As a result, the optical shell 500 can cause an increase in conversion efficiency of the wavelength converter 300.
Die Brechungsindizes der Materialien des Quantenpunkts 400, der optischen Schale 500 und des Matrixmaterials 310, sowie der Radius 401 des Quantenpunkts 400 und die Dicke 501 der optischen Schale 500 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die optische Schale 500 die Ankopplung von Moden des The refractive indices of the materials of the quantum dot 400, the optical shell 500 and the matrix material 310, and the radius 401 of the quantum dot 400 and the thickness 501 of the optical shell 500 are matched to one another such that the optical shell 500 is the coupling of modes of the
Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 und/oder die Ankopp¬ lung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 erhöht. Bevorzugt sind die genannten Parameter so gewählt, dass sowohl die Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 als auch die Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 gegen¬ über einer Situation ohne optische Schale 500 erhöht sind. Möglich ist aber auch, dass entweder nur die Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 oder nur die Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 gegenüber einer Situation ohne optische Schale 500 erhöht sind. Geeignete Werte der genannten Parame¬ ter lassen sich experimentell oder durch Modellrechnungen er- mittein. Pumplichts 110 to the quantum dot 400 and / or Ankopp ¬ ment of modes of the converted light 120 to the quantum dot 400 increases. Preferably, the mentioned parameters are selected such that both the coupling of modes of the pumping light 110 to the quantum dot 400 and the coupling of modes of the converted light 120 to the quantum dot 400 are increased relative to a situation without an optical shell 500. However, it is also possible that either only the coupling of modes of the pumping light 110 to the quantum dot 400 or only the coupling of modes of the converted light 120 to the quantum dot 400 is increased in relation to a situation without an optical shell 500. Suitable values of these parame ¬ ter can be experimentally or by modeling ER auxiliaries.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Scha- lendickenabhängigkeitsdiagramm 600. Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Schalendickenabhängigkeitsdi- agramm 601. Das erste Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 600 und das zweite Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 601 geben eine durch Modellrechnungen ermittelte Abhängigkeit der Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 und der Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 als Funktion der jeweils auf der horizontalen Achse aufgetra¬ genen Dicke 501 der optischen Schale 500 an. Die in Figuren 3 und 4 gezeigten Modellrechnungen wurden für den Fall durchgeführt, dass der Quantenpunktkern 410 des Quantenpunkts 400 CdSe aufweist, während die Quantenpunkt¬ schale 420 des Quantenpunkts 400 CdS aufweist. Dabei beträgt der Radius 401 des Quantenpunkts 400 im Modell 15 nm. Das Pumplicht 110 weist im Modell eine Wellenlänge von 450 nm auf. Das konvertierte Licht 120 weist im der Modellrechnung zugrunde gelegten Fall eine Wellenlänge von 620 nm auf. Die optische Schale 500 des Quantenpunkts 400 weist in der Mo- dellrechnung AI2O3 auf. FIG. 3 shows a schematic representation of a first shell thickness dependency diagram 600. FIG. 4 shows a schematic representation of a second shell thickness dependency graph 601. The first shell thickness dependency graph 600 and the second shell thickness dependency graph 601 provide a dependence of the coupling of modes of the pump light 110 and of the Coupling of modes of the converted light 120 to the quantum dot 400 as a function of each aufgetra ¬ on the horizontal axis thickness 501 of the optical shell 500 at. The model calculations shown in Figures 3 and 4 were carried out for the case that the quantum dot of the quantum dot core 410 having 400 CdSe, while the quantum dot ¬ cup 420 of the quantum dot comprises 400 CdS. The radius 401 of the quantum dot 400 in the model is 15 nm. The pumping light 110 has a wavelength of 450 nm in the model. The converted light 120 has a wavelength of 620 nm in the case of the model calculation. The optical shell 500 of the quantum dot 400 has Al 2 O 3 in the model calculation.
Im in Figur 3 gezeigten ersten Schalendickenabhängigkeitsdia- gramm 600 gibt ein Absorptionsverlauf 610 die Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 durch den Quantenpunkt 400 als Funktion derIn the first shell thickness dependency diagram 600 shown in FIG. 3, an absorption profile 610 gives the dependence of the probability of absorption of a quantum of the pumping light 110 by the quantum dot 400 as a function of
Dicke 501 der optischen Schale 500 an. Im in Figur 4 gezeigten zweiten Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 601 gibt ein Emissionsverlauf 620 die Wahrscheinlichkeit einer Emission eines Quants des konvertierten Lichts 120 durch den Quanten- punkt 400 als Funktion der Dicke 501 der optischen Schale 500 an. Erkennbar ist, dass in einem günstigen Dickenbereich 502 der Dicke 501 sowohl die Wahrscheinlichkeit einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 durch den Quantenpunkt 400 als auch die Wahrscheinlichkeit einer Emission eines Quants des konvertierten Lichts 120 durch den Quantenpunkt 400 hohe Werte aufweisen. Der günstige Dickenbereich 502 liegt im dargestellten Beispiel etwa zwischen 410 nm und 425 nm, insbe¬ sondere etwa bei 420 nm. Im Allgemeinen kann die Dicke 501 der optischen Schale 500 beispielsweise zwischen 100 nm und 800 nm liegen, insbesonde¬ re zwischen 300 nm und 500 nm, insbesondere zwischen 400 nm und 450 nm. Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbei¬ spiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abge- leitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen . Thickness 501 of the optical shell 500 on. In the second shell thickness dependency diagram 601 shown in FIG. 4, an emission profile 620 indicates the probability of emission of a quantum of the converted light 120 by the quantum dot 400 as a function of the thickness 501 of the optical shell 500. It can be seen that in a favorable thickness range 502 of the thickness 501 both the probability of absorption of a quantum of the pumping light 110 by the quantum dot 400 and the probability of emission of a quantum of the converted light 120 by the quantum dot 400 have high values. The favorable thickness range 502 is located in the illustrated example, approximately between 410 nm and 425 nm, in particular ¬ sondere at about 420 nm. In general, the thickness 501 of optical cup 500 for example between 100 nm and 800 nm, insbesonde ¬ re between 300 nm and 500 nm, in particular between 400 nm and 450 nm. the invention has been based on the preferred Ausführungsbei ¬ games further illustrated and described. However, the invention is not limited to the disclosed examples. Rather, other variations can be deducted from this by the expert. be directed, without departing from the scope of the invention.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE NUMBERS
100 optoelektronisches Bauelement 110 Pumplicht 100 optoelectronic component 110 pump light
120 konvertiertes Licht 120 converted light
200 optoelektronischer Halbleiterchip 200 optoelectronic semiconductor chip
210 Strahlungsemissionsfläche 210 radiation emission surface
300 Wellenlängenkonverter 300 wavelength converters
310 Matrixmaterial 400 Quantenpunkt 310 matrix material 400 quantum dot
401 Radius 401 radius
410 Quantenpunktkern 410 quantum dot core
420 Quantenpunktschale 420 quantum dot shell
500 optische Schale 500 optical shell
501 Dicke 501 thickness
502 günstiger Dickenbereich 600 erstes Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 601 zweites Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 502 favorable thickness range 600 first shell thickness dependency diagram 601 second shell thickness dependency plot
610 Absorptionsverlauf 610 absorption course
620 Emissionsverlauf 620 Emission history
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