DE102015101216A1 - Optoelektronische Anordnung mit Strahlungskonversionselement und Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements - Google Patents

Optoelektronische Anordnung mit Strahlungskonversionselement und Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements Download PDF

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Abstract

Es wird eine optoelektronische Anordnung (1) mit einem Halbleiterchip (2), der einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich aufweist, angegeben, wobei
– dem Halbleiterchip in Abstrahlungsrichtung (21) ein Strahlungskonversionselement (3) nachgeordnet ist;
– das Strahlungskonversionselement eine Mehrzahl von Konversionskörpern (4) mit jeweils einer Symmetrieachse (40) aufweist;
– eine räumliche Ausrichtung der Symmetrieachsen eine Vorzugsrichtung (45) aufweist;
– eine von dem Strahlungskonversionselement (3) abgestrahlte Strahlung eine Vorzugspolarisation (48) aufweist; und
– die optoelektronische Anordnung ein reflektierendes Polarisationselement (5) aufweist, das dem Strahlungskonversionselement in Abstrahlungsrichtung nachgeordnet ist, wobei das reflektierende Polarisationselement Strahlung mit der Vorzugspolarisation überwiegend durchlässt, und eine senkrecht zur Vorzugspolarisation polarisierte Strahlung überwiegend reflektiert.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements (3) angegeben.

Description

  • Es werden eine optoelektronische Anordnung mit einem Strahlungskonversionselement und ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements angegeben.
  • Zur Darstellung von insbesondere bewegten Bildern finden oftmals Flüssigkristallanzeigen (Liquid Crystal Displays, LCDs) Anwendungen, beispielsweise in Bildschirmen oder Projektoren. Diese können beispielsweise mit Leuchtdioden als Strahlungsquellen hinterleuchtet werden. Durch die in den LCDs zur Bilderzeugung verwendeten Polarisatoren geht jedoch typischerweise ein vergleichsweise großer Strahlungsanteil der Strahlungsquellen verloren. Um diese Verluste zu kompensieren, wird ein entsprechend erhöhter Primärlichtstrom der Strahlungsquellen vorgehalten, was einen gesteigerten Energieverbrauch zur Folge hat.
  • Eine Aufgabe ist es, die Effizienz bei der Hinterleuchtung von LCDs zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine optoelektronische Anordnung beziehungsweise durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist die Anordnung zumindest einen Halbleiterchip mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf. Insbesondere liegt die Strahlung im ultravioletten, sichtbaren, insbesondere blauen oder roten, oder im nahen infraroten Spektralbereich. Der Halbleiterchip ist beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet oder ungehäust auf einem Anschlussträger, etwa einer Leiterplatte, befestigt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist die Anordnung ein Strahlungskonversionselement auf. Das Strahlungskonversionselement ist insbesondere dem Halbleiterchip in Abstrahlungsrichtung nachgeordnet. Die Abstrahlungsrichtung verläuft insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs. Das Strahlungskonversionselement ist dafür vorgesehen, eine von dem zumindest einen Halbleiterchip erzeugte Primärstrahlung, beispielsweise im blauen oder ultravioletten Spektralbereich, vollständig oder zumindest teilweise in Sekundärstrahlung umzuwandeln. Die Sekundärstrahlung kann beispielsweise im roten, grünen, gelben und/oder blauen Spektralbereich liegen. Insbesondere kann die Sekundärstrahlung in zumindest zwei voneinander verschiedenen Spektralbereichen des sichtbaren Spektrums Strahlungsanteile enthalten, beispielsweise im roten und im grünen Spektralbereich.
  • Zum Beispiel grenzt das Strahlungskonversionselement an den Halbleiterchip an. Das Strahlungskonversionselement ist beispielsweise eine Umhüllung des Halbleiterchips.
  • Alternativ ist das Strahlungskonversionselement zum Beispiel ein vorgefertigtes Element der optoelektronischen Anordnung. Das vorgefertigte Strahlungskonversionselement ist beispielsweise ein selbsttragendes Element, etwa eine vorgefertigte Folie oder ein vorgefertigtes Plättchen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist das Strahlungskonversionselement eine Mehrzahl von Konversionskörpern auf. Der Begriff „Konversionskörper“ bezeichnet allgemein zur Strahlungskonversion geeignete Körper, beispielsweise Leuchtstoff-Partikel oder Leuchtstoff-Moleküle. Die Konversionskörper können ein anorganisches und/oder ein organisches Material enthalten. Insbesondere können die Konversionskörper jeweils eine Symmetrieachse aufweisen.
  • Beispielsweise eignen sich organische Materialien, etwa ein Perylen, Fluorescein, Cumarin, Rhodamin, Stilbene, Porphyrin, Phtalocyanin oder Pyren.
  • Weiterhin eignen sich anorganische Halbleitermaterialien, beispielsweise GaN, InN, AlN und Mischkristalle davon, etwa InGaN oder AlInGaN, CuInS2, CdSe, CdS, InP, PbS, InAs, ZnSe, ZnSSe oder ZnSSeTe. Insbesondere können mittels anorganischer Halbleitermaterialien Quantenstäbchen gebildet sein. Als Quantenstäbchen werden insbesondere Volumenkörper verstanden, die aufgrund ihrer geringen Größe zumindest quer zur Längserstreckungsachse eine Quantisierung der energetischen Zustände erfahren. Die Quantenstäbchen sind insbesondere nicht kugelsymmetrisch. Zum Beispiel sind die Quantenstäbchen rotationssymmetrisch zu ihrer Längserstreckungsachse.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Konversionskörper längliche Konversionskörper mit einer Längserstreckungsachse. Insbesondere ist die Längserstreckungsachse die Symmetrieachse. Entlang der Längserstreckungsachse weisen die länglichen Konversionskörper eine größere Ausdehnung auf als in quer oder senkrecht dazu verlaufenden Richtungen. Die Symmetrieachse verläuft entlang derjenigen Richtung, entlang der die Ausdehnung der Konversionskörper am größten ist.
  • Das Strahlungskonversionselement kann weiterhin Konversionskörper aufweisen, die sich in der Peak-Wellenlänge der Sekundärstrahlung unterscheiden. Zum Beispiel emittieren erste Konversionskörper im roten Spektralbereich und zweite Konversionskörper im grünen Spektralbereich.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist eine räumliche Ausrichtung der Konversionskörper eine Vorzugsrichtung auf. Beispielsweise bezieht sich die räumliche Ausrichtung der Konversionskörper auf deren Symmetrieachse. Die räumliche Ausrichtung der Symmetrieachsen weist also eine Vorzugsrichtung auf. Die Konversionskörper sind hinsichtlich ihrer Orientierung, beispielsweise hinsichtlich der Orientierung ihrer Symmetrieachse, also nicht zufällig verteilt. Insbesondere sind mindestens 50 % der Konversionskörper, bevorzugt mindestens 80% der Konversionskörper, so orientiert, dass die Symmetrieachse der Konversionskörper in einem Winkel von höchstens 20° zur Vorzugsrichtung verläuft. Im Idealfall sind alle Konversionskörper entlang der Vorzugsrichtung orientiert. Eine erhöhte Effizienz der optoelektronischen Anordnung wird jedoch auch bereits erreicht, wenn die Konversionskörper nur zum Teil entlang der Vorzugsrichtung orientiert sind.
  • Die Vorzugsrichtung verläuft parallel zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist eine von dem Strahlungskonversionselement mit der Mehrzahl von Konversionskörpern abgestrahlte Strahlung eine Vorzugspolarisation auf. Die Vorzugspolarisation verläuft insbesondere in einer Ebene, die senkrecht zur Vorzugsrichtung verläuft. Die vom Strahlungskonversionselement emittierte Sekundärstrahlung ist also zumindest teilpolarisiert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist die optoelektronische Anordnung ein reflektierendes Polarisationselement auf, das dem Strahlungskonversionselement in Abstrahlungsrichtung nachgeordnet ist. Insbesondere muss die vom Halbleiterchip und dem Strahlungskonversionselement abgestrahlte Strahlung das reflektierende Polarisationselement passieren, bevor sie aus der optoelektronischen Anordnung austreten kann. Das reflektierende Polarisationselement lässt Strahlung mit der Vorzugspolarisation überwiegend, das heißt zu mindestens 51%, durch. Vorzugsweise lässt das reflektierende Polarisationselement Strahlung mit der Vorzugspolarisation zu mindestens 80 % durch. Je höher die Transmission für diesen Strahlungsanteil ist, desto geringer können insgesamt die Absorptionsverluste sein. Weiterhin reflektiert das reflektierende Polarisationselement eine senkrecht zur Vorzugspolarisation polarisierte Strahlung überwiegend. Strahlung, deren Polarisation nicht der Vorzugspolarisation entspricht, geht also zumindest überwiegend nicht durch Absorption am reflektierenden Polarisationselement verloren, sondern wird reflektiert und kann nach zumindest einer weiteren Reflexion oder Streuung innerhalb der optoelektronischen Anordnung erneut auf das reflektierende Polarisationselement auftreffen und zumindest teilweise aus der optoelektronischen Anordnung austreten.
  • Vorzugsweise beträgt die Reflektivität des reflektierenden Polarisationselements für diesen Strahlungsanteil mindestens 60 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %. Zum Beispiel ist das reflektierende Polarisationselement als eine vorgefertigte Folie ausgebildet. Eine derartige Folie wird beispielsweise von dem Hersteller 3M Optical Systems unter der Bezeichnung DBEF (Dual Brightness Enhancement Film) angeboten. Diese Folie ist dafür vorgesehen, zwischen Lichtleitern und Flüssigkristallanzeigen angeordnet zu werden, um die Helligkeit zu erhöhen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine solche Folie auch dafür verwendet werden kann, dass die optoelektronische Anordnung selbst bereits polarisierte oder zumindest teilpolarisierte Strahlung abstrahlt. Diese polarisierte oder zumindest teilpolarisierte Strahlung kann zur Hinterleuchtung einer Flüssigkristallanzeige in einen Lichtleiter eingekoppelt werden oder die Flüssigkristallanzeige direkt hinterleuchten.
  • In mindestens einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist die optoelektronische Anordnung einen Halbleiterchip, der einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich aufweist, auf, wobei dem Halbleiterchip in Abstrahlungsrichtung ein Strahlungskonversionselement nachgeordnet ist. Das Strahlungskonversionselement weist eine Mehrzahl von Konversionskörpern mit jeweils einer Symmetrieachse auf, wobei eine räumliche Ausrichtung der Symmetrieachsen eine Vorzugsrichtung aufweist. Eine von dem Strahlungskonversionselement abgestrahlte Strahlung weist eine Vorzugspolarisation auf. Die optoelektronische Anordnung weist ein reflektierendes Polarisationselement auf, das dem Strahlungskonversionselement in Abstrahlungsrichtung nachgeordnet ist, wobei das reflektierende Polarisationselement Strahlung mit der Vorzugspolarisation überwiegend durchlässt, und eine senkrecht zur Vorzugspolarisation polarisierte Strahlung überwiegend reflektiert.
  • Die optoelektronische Anordnung strahlt also nicht unpolarisierte, sondern polarisierte oder zumindest teilpolarisierte Strahlung ab. Teilpolarisiert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Polarisationsrichtung gegenüber einer senkrecht dazu verlaufenden weiteren Polarisationsrichtung überwiegt, beispielsweise um mindestens 10 %, bevorzugt um mindestens 50 %. Der Strahlungsanteil, der aufgrund seiner Polarisation an einem Polarisationsfilter an einem Eingangspolarisationsfilter einer nachgeordneten Flüssigkristallanzeige verloren geht, kann so verringert werden. Im Unterschied zu einer optoelektronischen Anordnung, die unpolarisierte Strahlung abstrahlt, geht also nicht die Hälfte der abgestrahlten Strahlung an diesem Eingangspolarisationsfilter verloren. Der für die Hinterleuchtung einer Flüssigkristallanzeige nutzbare Strahlungsanteil wird also bei gleicher Leistungsaufnahme der optoelektronischen Anordnung erhöht. Ebenso kann dieselbe Helligkeit der Hinterleuchtung mit reduzierter Leistungsaufnahme der optoelektronischen Anordnung erzielt werden. Mit anderen Worten wird die für die Funktion der Flüssigkristallanzeige erforderliche Polarisation der Strahlung nicht nur durch den strahlungseintrittsseitigen Polarisationsfilter erzielt, was bei unpolarisierter Strahlung zwangsläufig zum Verlust der halben Strahlungsleistung führt. Vielmehr wird die Strahlung in der optoelektronischen Anordnung so erzeugt, dass die aus dieser austretende Strahlung bereits überwiegend, beispielsweise zu 55 % oder mehr oder zu 65 % oder mehr, die geeignete Polarisation aufweist. Insbesondere wird im Strahlungskonversionselement die Strahlung bereits so erzeugt, dass die geeignete Polarisation überwiegt. Durch das Strahlungskonversionselement mit den ausgerichteten Konversionskörpern allein wird also eine erhöhte Effizienz gegenüber einer Anordnung mit einem herkömmlichen Strahlungskonversionselement erzielt. Eine weitere Steigerung der Effizienz kann durch das reflektierende Polarisationselement erzielt werden, da Strahlungsanteile, die aufgrund ihrer Polarisation nicht nutzbar wären, von dem reflektierenden Polarisationselement zumindest überwiegend nicht absorbiert, sondern reflektiert werden und nachfolgend aus der optoelektronischen Anordnung austreten können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung enthalten die Konversionskörper Quantenstäbchen und weisen insbesondere ein Verhältnis der Längsausdehnung zur maximalen Querausdehnung zwischen einschließlich 1,5:1 und einschließlich 40:1 auf. Konversionskörper mit einem solchen Verhältnis haben sich für ein Strahlungskonversionselement zur Erzeugung von zumindest teilpolarisierter Strahlung als besonders geeignet heraus gestellt.
  • Insbesondere Konversionskörper, die mittels eines organischen Materials gebildet sind, können davon abweichend auch eine Querausdehnung haben, die gleich oder im Wesentlichen gleich der Ausdehnung entlang der Symmetrieachse ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung ist der Halbleiterchip zumindest stellenweise von einem insbesondere diffus reflektierenden Reflektor umgeben. Am reflektierenden Polarisationselement reflektierte Strahlung kann nach der diffusen Reflexion zumindest einen Strahlungsanteil mit der Vorzugspolarisation aufweisen und aus der optoelektronischen Anordnung austreten. Beispielsweise ist der Reflektor durch eine Wand eines Gehäusekörpers des Halbleiterchips gebildet. Der Reflektor kann auch durch eine Schicht gebildet sein, die unmittelbar an den Halbleiterchip angrenzt. Mittels polymerer Füller kann weiterhin eine anisotrope Streuung erzielt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist das Strahlungskonversionselement ein Matrixmaterial auf, in das die Konversionskörper eingebettet sind. Das Matrixmaterial enthält insbesondere ein Polymermaterial.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung grenzt das Strahlungskonversionselement stellenweise unmittelbar an den Halbleiterchip an. Zum Beispiel bildet das Strahlungskonversionselement eine Umhüllung für den Halbleiterchip. Insbesondere kann das Strahlungskonversionselement in Form einer Umhüllung auch die Seitenflächen des Halbleiterchips bedecken.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung sind Diffusoren in das Matrixmaterial eingebettet. Mittels der Diffusoren wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Strahlung, die nicht die Vorzugspolarisation aufweist, nach einer Streuung an den Diffusoren aus der optoelektronischen Anordnung austreten kann. Vorzugsweise bewirken die Diffusoren eine anisotrope Streuung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist das reflektierende Polarisationselement eine Mehrzahl von Schichten mit einem anisotropen Brechungsindex auf. Ein reflektierendes Polarisationselement ist so auf einfache und zuverlässige Weise kompakt herstellbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung weist das reflektierende Polarisationselement für die vom Halbleiterchip abgestrahlte Primärstrahlung eine höhere Reflektivität auf als für die von dem Strahlungskonversionselement abgestrahlte Sekundärstrahlung. Es hat sich gezeigt, dass so die Effizienz der optoelektronischen Anordnung gesteigert werden kann, da die Sekundärstrahlung mittels der Konversionskörper bereits teilpolarisiert erzeugt wird und durch eine verringerte Reflektivität im Spektralbereich der Sekundärstrahlung Absorptionsverluste innerhalb der optoelektronischen Anordnung verringert werden können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung grenzt das reflektierende Polarisationselement an das Strahlungskonversionselement an oder ist um höchstens 200 µm von dem Strahlungskonversionselement beabstandet. Insbesondere können das Strahlungskonversionselement und das reflektierende Polarisationselement mechanisch stabil aneinander befestigt sein. Insbesondere befindet sich zwischen dem reflektierenden Polarisationselement und dem Strahlungskonversionselement kein Lichtleiter.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung verlaufen eine Haupterstreckungsebene des reflektierenden Polarisationselements und eine Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs parallel zueinander.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung ist die optoelektronische Anordnung ein oberflächenmontierbares Halbleiterbauelement (surface mounted device, SMD). Die optoelektronische Anordnung ist also ein auf einfache Weise montierbares Halbleiterbauelement, das sich durch eine polarisierte oder zumindest teilpolarisierte Abstrahlung auszeichnet. Alternativ kann die optoelektronische Anordnung aber auch eine Anordnung von einem Halbleiterchip oder mehreren Halbleiterchips auf einem Anschlussträger, beispielsweise einer Leiterplatte sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Anordnung ist die optoelektronische Anordnung zur Hinterleuchtung einer Flüssigkristallanzeige vorgesehen.
  • Die Hinterleuchtung kann so besonders energieeffizient und zugleich mit einer hohen Betriebslebensdauer erfolgen. Die optoelektronische Anordnung kann insbesondere zur seitlichen Einkopplung in einen Lichtleiter oder zur direkten Hinterleuchtung der Flüssigkristallanzeige vorgesehen sein.
  • Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Strahlungskonversionselements wird gemäß zumindest einer Ausführungsform ein Ausgangsstoff in flüssiger Form, der mit Konversionskörpern mit jeweils einer Symmetrieachse versetzt ist, bereitgestellt. Der Ausgangsstoff wird in eine Form gefüllt. Die Symmetrieachsen der Konversionskörper werden zumindest teilweise entlang einer Vorzugsrichtung ausgerichtet. Der Ausgangsstoff wird ausgehärtet.
  • Dadurch entsteht ein Strahlungskonversionselement, bei dem Konversionskörper in einem Matrixmaterial in ausgerichteter Form vorliegen. Durch das beschriebene Verfahren kann auf einfache Weise ein Strahlungskonversionselement hergestellt werden, das bei Anregung durch eine Primärstrahlung eine zumindest teilpolarisierte Sekundärstrahlung abstrahlt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Konversionskörper durch ein elektrisches Feld ausgerichtet. Das elektrische Feld liegt insbesondere auch während des Aushärtens zumindest so lange an, dass die Konversionskörper nach Ausschalten des elektrischen Felds ihre Ausrichtung entlang der Vorzugsrichtung zumindest teilweise beibehalten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Form eine Kavität, in der zumindest ein Halbleiterchip angeordnet ist. Beispielsweise ist die Kavität in einem vorgefertigten Gehäuse für ein insbesondere optoelektronisches Halbleiterbauelement ausgebildet.
  • Davon abweichend kann die Form aber auch dafür vorgesehen sein, freitragende Konversionselemente auszubilden, beispielsweise in Form eines Plättchens oder einer Folie. In diesem Fall kann die Form nach dem Aushärten entfernt werden.
  • Weiterhin kann ein flüssigkristallines Polymer Anwendung finden. Mittels eines solchen Polymers kann die Ausrichtung erleichtert werden.
  • Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
  • die 1A, 1B und 1C ein Ausführungsbeispiel für eine optoelektronische Anordnung in schematischer Draufsicht (1A) und in zwei zugehörigen Schnittansichten (1B und 1C);
  • 1D ein Ausführungsbeispiel für eine Anzeigevorrichtung mit einer optoelektronischen Anordnung; und
  • die 2A und 2B ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungskonversionselements anhand von schematisch in Draufsicht dargestellten Zwischenschritten.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente und insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • In den 1A bis 1C ist ein Ausführungsbeispiel für eine optoelektronische Anordnung 1 anhand einer Draufsicht und zweier senkrecht zueinander orientierten Schnittansichten gezeigt.
  • Die optoelektronische Anordnung 1 weist einen zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Halbleiterchip 2 auf. Beispielsweise enthält der Halbleiterchip einen zur Strahlungserzeugung im blauen oder ultravioletten Spektralbereich vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf der Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials, etwa Alx Iny Ga1-x-y N mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Die vom Halbleiterchip abgestrahlte Strahlung ist insbesondere unpolarisiert.
  • Weiterhin weist die optoelektronische Anordnung 1 ein Strahlungskonversionselement 3 auf, das dem Halbleiterchip 2 in einer Abstrahlungsrichtung 21 nachgeordnet ist. Das Strahlungskonversionselement 3 ist also Teil der optoelektronischen Anordnung. Vor dem Austritt der im Betrieb der optoelektronischen Anordnung im Halbleiterchip 2 erzeugten Primärstrahlung aus einer Strahlungsaustrittsfläche 10 der optoelektronischen Anordnung muss die Strahlung also das Strahlungskonversionselement 3 durchqueren.
  • Das Strahlungskonversionselement 3 umfasst eine Mehrzahl von Konversionskörpern 4. Die Konversionskörper 4 weisen jeweils eine Symmetrieachse 40 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Konversionskörper längliche Konversionskörper, beispielsweise anorganische Quantenstäbchen, bei denen eine Längserstreckungsachse die Symmetrieachse bildet. Eine Längsausdehnung entlang der Längserstreckungsachse ist größer als eine senkrecht zur Längserstreckungsachse verlaufende maximale Querausdehnung 42.
  • Das Strahlungskonversionselement 3 weist ein Matrixmaterial 35 auf, in das die Konversionskörper 4 des Strahlungskonversionselements 3 eingebettet sind. Das Matrixmaterial enthält insbesondere ein Polymermaterial und/oder ein anorganisches Oxid. Zum Beispiel eignen sich als Matrixmaterial PET, PE, PS, PMMA, ein Acrylat, ein Epoxid, ein Silikon oder ein organisch-anorganisches Polymer mit zumindest einem Epoxid oder einem Silikon, beispielsweise ein Silikon, in das Al2O3 oder SiO2 eingebunden ist.
  • Bei einer optischen Anregung der Konversionskörper 4 durch eine Primärstrahlung 81 emittieren die Konversionskörper eine Sekundärstrahlung 82.
  • In dem Strahlungskonversionselement 3 sind die einzelnen Konversionskörper 4 so orientiert, dass die Symmetrieachsen 40 der Konversionskörper 4 eine Vorzugsrichtung 45 aufweisen. Die Vorzugsrichtung verläuft insbesondere senkrecht zur Abstrahlungsrichtung 21 und parallel zum aktiven Bereich 20. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen alle Symmetrieachsen 40 parallel zur Vorzugsrichtung. In diesem Idealfall ist die in dem Strahlungskonversionselement 3 von den Konversionskörpern 4 erzeugte Sekundärstrahlung vollständig polarisiert, wobei eine Vorzugspolarisation 48 der vom Strahlungskonversionselement abgestrahlten Strahlung in einer Ebene senkrecht zur Vorzugsrichtung 45 verläuft. Einzelne Konversionskörper 4 können jedoch auch eine von der Vorzugsrichtung 45 abweichende Orientierung der Symmetrieachse 40 aufweisen, so dass die Sekundärstrahlung 82 teilpolarisiert ist.
  • Die länglichen Konversionskörper 4 weisen zum Beispiel ein Verhältnis der Längsausdehnung zur maximalen Querausdehnung zwischen einschließlich 1,5:1 und einschließlich 40:1 auf.
  • Die Konversionskörper 4 können beispielsweise Leuchtstoff-Partikel oder Leuchtstoff-Moleküle sein. Die Konversionskörper können weiterhin ein organisches und/oder ein anorganisches Material enthalten. Insbesondere eignen sich die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten anorgaischen und organischen Materialien für die Konversionskörper.
  • Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend müssen die Konversionskörper nicht notwendigerweise länglich ausgebildet sein. Beispielsweise können auch organische Moleküle Anwendung finden, deren Querausdehnung zur Symmetrieachse gleich oder im Wesentlichen gleich der Ausdehnung entlang der Symmetrieachse ist.
  • Die optoelektronische Anordnung 1 weist weiterhin ein reflektierendes Polarisationselement 5 auf. Das reflektierende Polarisationselement ist dem Strahlungskonversionselement 3 in Abstrahlungsrichtung 21 nachgeordnet. Das reflektierende Polarisationselement lässt Strahlung mit der Vorzugspolarisation 48 überwiegend durch und reflektiert eine senkrecht zur Vorzugspolarisation polarisierte Strahlung überwiegend. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das reflektierende Polarisationselement 5 die Strahlungsaustrittsfläche 10 der optoelektronischen Anordnung 1.
  • Vorzugsweise lässt das reflektierende Polarisationselement 5 Strahlung mit der Vorzugspolarisation 48 zu mindestens 80 % durch. Weiterhin reflektiert das reflektierende Polarisationselement senkrecht zur Vorzugspolarisation polarisierte Strahlungsanteile überwiegend. Strahlung, deren Polarisation nicht der Vorzugspolarisation entspricht, geht also zumindest überwiegend nicht durch Absorption am reflektierenden Polarisationselement verloren, sondern wird reflektiert und gelangt so in das Strahlungskonversionselement 3 zurück. Vorzugsweise beträgt die Reflektivität für diesen Strahlungsanteil mindestens 60 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %.
  • Das reflektierende Polarisationselement 5 ist beispielsweise als eine vorgefertigte Folie ausgebildet, die an dem Strahlungskonversionselement 3 befestigt ist. In Draufsicht auf die Strahlungsaustrittsfläche 10 überdeckt das reflektierende Polarisationselement 5 das Strahlungskonversionselement 3 vollständig. Das reflektierende Polarisationselement 5 grenzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an das Strahlungskonversionselement 3 an. Davon abweichend können diese Elemente aber auch voneinander beabstandet sein, beispielsweise in einem Abstand von höchstens 200 µm zueinander.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das reflektierende Polarisationselement 5 eine Mehrzahl von Schichten 51 mit einem anisotropen Brechungsindex auf. Dadurch lassen sich auf einfache und zuverlässige Weise eine polarisationsabhängige Transmission und gleichzeitig eine hohe Reflektivität für nicht durchgelassene Strahlungsanteile erzielen. Die Reflektivität und/oder die Transmission können auch wellenlängenselektiv sein und beispielsweise für die Primärstrahlung höher oder niedriger sein als für die Sekundärstrahlung.
  • Vorzugsweise weist das reflektierende Polarisationselement 5 für die im aktiven Bereich 20 unpolarisiert erzeugte Primärstrahlung eine höhere Reflektivität auf als für die Sekundärstrahlung. Durch eine hohe Reflektivität für die Primärstrahlung können Strahlungsanteile mit der nicht geeigneten Polarisation zurückreflektiert werden. Die Sekundärstrahlung wird dagegen bereits teilpolarisiert erzeugt, so dass durch eine niedrigere Reflektivität Absorptionsverluste innerhalb der optoelektronischen Anordnung 1 vermieden werden können.
  • Die optoelektronische Anordnung 1 weist weiterhin einen Reflektor 7 auf, der für die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung diffus reflektierend ausgebildet ist. Der Reflektor weist vorzugsweise eine Reflektivität von mindestens 80 % auf. Je höher die Reflektivität ist, desto geringer können die Absorptionsverluste innerhalb der optoelektronischen Anordnung sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Reflektor durch eine Wand 26 einer Kavität 250 eines Gehäusekörpers 25 gebildet. Der Halbleiterchip 2 ist in der Kavität 250 angeordnet und in lateraler Richtung, also parallel zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs 20 von dem Reflektor umgeben. Strahlung, die nicht die geeignete Polarisation aufweist, um aus dem reflektierenden Polarisationselement austreten zu können, kann an diesem reflektiert werden. Bei jeder insbesondere diffusen Reflexion innerhalb der optoelektronischen Anordnung 1, beispielsweise am Reflektor 7, ändert sich statistisch der Polarisationszustand der Strahlung, so dass zumindest ein Teil der Strahlung bei einem nachfolgenden Auftreffen auf das reflektierende Polarisationselement 5 aus der optoelektronischen Anordnung 1 austreten kann. In dem Matrixmaterial 35 können zur Erhöhung der Auskoppelwahrscheinlichkeit optional Diffusoren 75 eingebettet sein.
  • Die von der optoelektronischen Anordnung 1 erzeugte und durch die Strahlungsaustrittsfläche 10 der optoelektronischen Anordnung austretende Strahlung ist polarisiert oder zumindest teilpolarisiert. Die optoelektronische Anordnung 1 stellt also selbst bereits polarisierte oder zumindest teilpolarisierte Strahlung zur Verfügung, so dass bei der Hinterleuchtung einer Flüssigkristallanzeige Verluste an dem Polarisationsfilter, der auf der Strahlungseintrittsseite der Flüssigkristallanzeige angeordnet ist, verringert werden. Weiterhin wird die Sekundärstrahlung im Strahlungskonversionselement 3 bedingt durch den Erzeugungsmechanismus mittels orientierter Konversionskörper bereits mit einer Vorzugspolarisation erzeugt und die Effizienz der optoelektronischen Anordnung erhöht.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die optoelektronische Anordnung ein oberflächenmontierbares Halbleiterbauelement. Die Anschlussleiter, über die der Halbleiterchip 2 von außerhalb des Gehäusekörpers 25 von der der Strahlungsaustrittsfläche 10 abgewandten Seite her extern elektrisch kontaktierbar ist, sind in den Figuren zur vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.
  • Das Strahlungskonversionselement 3 grenzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an den Halbleiterchip 2 an und bildet eine Umhüllung 22 für den Halbleiterchip 2. Das Strahlungskonversionselement kann davon abweichend aber auch ein vorgefertigtes Element sein, das an dem Halbleiterchip befestigt ist. Weiterhin kann das Strahlungskonversionselement 3 auch von dem Halbleiterchip 2 beabstandet sein und insbesondere zusätzlich zu einer Umhüllung vorgesehen sein.
  • Das Strahlungskonversionselement 3 kann weiterhin auch Konversionskörper 4 aufweisen, die Sekundärstrahlungsanteile mit voneinander verschiedenen Peak-Wellenlängen erzeugen.
  • Beispielsweise erzeugen erste Konversionskörper Strahlung im roten Spektralbereich und zweite Konversionskörper Strahlung im grünen Spektralbereich.
  • Die optoelektronische Anordnung 1 kann selbstverständlich auch mehr als einen zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Halbleiterchip 2 aufweisen, wobei die Halbleiterchips jeweils in einem Gehäuse oder mehrere Halbleiterchips in einem Gehäuse angeordnet sein können. Weiterhin können alternativ mehrere Halbleiterchips auch in einem Gehäuse oder ungehäust auf einem Anschlussträger, etwa einer Leiterplatte angeordnet und elektrisch kontaktiert sein. Die Art der Gehäuse für die Halbleiterchips 2 ist in weiten Grenzen wählbar. Beispielsweise kann der Gehäusekörper 25 auch durch ein Material gebildet sein, das an den Halbleiterchip 2 angeformt ist und insbesondere den Reflektor 7 bildet.
  • Die optoelektronische Anordnung 1 weist weiterhin ein optisches Element 6 auf. Das optische Element 6 ist dafür vorgesehen, die vom Strahlungskonversionselement 3 abgestrahlte Strahlung und durch das reflektierende Polarisationselement austretende Strahlung polarisationserhaltend umzulenken. Hierfür weist das optische Element exemplarisch eine Mehrzahl von langgestreckten Prismen 61 auf, deren Längsrichtung 610 parallel zur Vorzugsrichtung 45 verläuft. Insbesondere können die Prismen die Strahlung in einen nutzbaren Winkelbereich kollimieren. Das optische Element 6 kann beispielsweise als eine Folie ausgebildet sein, die auf dem reflektierenden Polarisationselement 5 angeordnet ist. Die Folie kann insbesondere als eine sogenannte helligkeitssteigernde Folie (Brightness Enhancement Film, BEF) ausgebildet sein. Das optische Element 6 und das reflektierende Polarisationselement 5 können auch einstückig in einer Folie ausgebildet sein. Weiterhin kann auf das optische Element auch verzichtet werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel für eine Anzeigevorrichtung 9 mit der beschriebenen optoelektronischen Anordnung 1 ist in 1D schematisch gezeigt. Die Anzeigevorrichtung weist einen Lichtleiter 91 auf, in den die von der optoelektronischen Anordnung abgestrahlte Strahlung seitlich eingekoppelt wird. Die optoelektronische Anordnung 1 ist auf einem Anschlussträger 95, beispielsweise einer Leiterplatte angeordnet. Die im Halbleiterchip 2 erzeugte Strahlung und in Abstrahlungsrichtung 21 abgestrahlte Strahlung passiert das reflektierende Polarisationselement 5, bevor die Strahlung in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die in den Lichtleiter eingekoppelte Strahlung ist also polarisiert oder zumindest teilpolarisiert. Der Lichtleiter ist zweckmäßigerweise polarisationserhaltend ausgebildet. Die aus einer Hauptfläche 910 des Lichtleiters austretende Strahlung beleuchtet eine Flüssigkristallanzeige 92. Aufgrund der zumindest teilweise polarisierten Abstrahlung der optoelektronischen Anordnung 1 werden Absorptionsverluste an einem Eingangspolarisationsfilter 920 der Flüssigkristallanzeige minimiert. Insbesondere werden in der optoelektronischen Anordnung 1 Strahlungsanteile, die für die Hinterleuchtung nicht nutzbar sind, beispielsweise aufgrund der ungeeigneten Polarisation, bereits bei der Erzeugung der Strahlung zugunsten einer Erhöhung der nutzbaren Strahlung vermindert.
  • Von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend kann die optoelektronische Anordnung 1 auch für die direkte Hinterleuchtung der Anzeigevorrichtung vorgesehen sein.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungskonversionselements ist in den 2A und 2B anhand zweier Zwischenschritte in schematischer Draufsicht gezeigt. Die Beschreibung erfolgt exemplarisch für ein Strahlungskonversionselement wie es im Zusammenhang mit den 1A bis 1C beschrieben ist.
  • Zur Ausbildung des Strahlungskonversionselements wird ein Ausgangsstoff 30 in flüssiger Form, der mit beispielsweise länglichen Konversionskörpern 4 mit jeweils einer Symmetrieachse 40 versetzt ist, bereitgestellt. Der Ausgangsstoff wird in eine Form 32 gefüllt, beispielsweise durch Gießen (molding), Spritzgießen (injection molding) oder Spritzpressen (transfer molding). In dem gezeigten Ausführungsbeispiel dient eine Kavität 250 eines Gehäusekörpers 25 als Form. Wie in 2A gezeigt, sind die Symmetrieachsen 40 zunächst zufällig orientiert und weisen keine Vorzugsrichtung auf.
  • Die Symmetrieachsen der Konversionskörper werden nachfolgend wie in 2B gezeigt zumindest teilweise entlang einer Vorzugsrichtung 45 ausgerichtet. Dies kann beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgen. Nun wird der Ausgangsstoff 30 ausgehärtet, wobei das elektrische Feld zweckmäßigerweise zumindest so lange angelegt wird, bis sich der Ausgangsstoff hinreichend verfestigt hat, so dass die Ausrichtung der Konversionskörper 4 auch nach Abschalten des elektrischen Feldes bestehen bleibt.
  • So kann auf einfache Weise ein Strahlungskonversionselement 3 hergestellt werden, das bei Anregung durch eine Primärstrahlung eine zumindest teilpolarisierte Sekundärstrahlung abstrahlt.
  • Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend können mit dem Verfahren auch freitragende Konversionselemente, etwa in Plättchen-Form ausgebildet werden. Hierfür kann die Form nach dem Aushärten entfernt werden.
  • 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.

Claims (16)

  1. Optoelektronische Anordnung (1) mit einem Halbleiterchip (2), der einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich aufweist, wobei – dem Halbleiterchip in Abstrahlungsrichtung (21) ein Strahlungskonversionselement (3) nachgeordnet ist; – das Strahlungskonversionselement eine Mehrzahl von Konversionskörpern (4) mit jeweils einer Symmetrieachse (40) aufweist; – eine räumliche Ausrichtung der Symmetrieachsen eine Vorzugsrichtung (45) aufweist; – eine von den Konversionskörpern abgestrahlte Strahlung eine Vorzugspolarisation (48) aufweist; und – die optoelektronische Anordnung ein reflektierendes Polarisationselement (5) aufweist, das dem Strahlungskonversionselement in Abstrahlungsrichtung nachgeordnet ist, wobei das reflektierende Polarisationselement Strahlung mit der Vorzugspolarisation überwiegend durchlässt, und eine senkrecht zur Vorzugspolarisation polarisierte Strahlung überwiegend reflektiert.
  2. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Vorzugsrichtung der Konversionskörper und die Vorzugspolarisation in einer senkrecht zur Abstrahlungsrichtung verlaufenden Ebene senkrecht zueinander verlaufen.
  3. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Konversionskörper Quantenstäbchen enthalten und senkrecht zu einer Längserstreckungsachse eine maximale Querausdehnung (42) aufweisen, wobei ein Verhältnis einer Längsausdehnung (41) entlang der Längserstreckungsachse zur maximalen Querausdehnung zwischen einschließlich 1,5:1 und einschließlich 40:1 beträgt.
  4. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Halbleiterchip zumindest stellenweise von einem diffus reflektierenden Reflektor (7) umgeben ist.
  5. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlungskonversionselement ein Matrixmaterial (35) aufweist, in das die Konversionskörper eingebettet sind.
  6. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 5, wobei das Strahlungskonversionselement stellenweise unmittelbar an den Halbleiterchip angrenzt.
  7. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei Diffusoren (75) in das Matrixmaterial eingebettet sind.
  8. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das reflektierende Polarisationselement eine Mehrzahl von Schichten (51) mit einem anisotropen Brechungsindex aufweist.
  9. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das reflektierende Polarisationselement für eine vom Halbleiterchip abgestrahlte Primärstrahlung eine höhere Reflektivität aufweist als für eine von dem Strahlungskonversionselement abgestrahlte Sekundärstrahlung.
  10. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das reflektierende Polarisationselement an das Strahlungskonversionselement angrenzt oder um höchstens 200 µm von dem Strahlungskonversionselement beabstandet ist.
  11. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Haupterstreckungsebene des reflektierenden Polarisationselements und eine Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs parallel zueinander verlaufen.
  12. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optoelektronische Anordnung ein oberflächenmontierbares Halbleiterbauelement ist.
  13. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optoelektronische Anordnung zur Hinterleuchtung einer Flüssigkristallanzeige (92) vorgesehen ist.
  14. Verfahren zum Herstellen eines Strahlungskonversionselements mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Ausgangsstoffs (30) in flüssiger Form, der mit Konversionskörpern (4) mit jeweils einer Symmetrieachse (40) versetzt ist; b) Füllen des Ausgangsstoffs in eine Form; c) zumindest teilweises Ausrichten der Symmetrieachsen der Konversionskörper entlang einer Vorzugsrichtung; und d) Aushärten des Ausgangsstoffs.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Konversionskörper durch ein elektrisches Feld ausgerichtet werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Form eine Kavität (250) ist, in der zumindest ein Halbleiterchip (2) angeordnet ist.
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