DE102005014459A1

DE102005014459A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht unter Verwendung eines Gruppe-IIA/IIB-Selenid-Schwefel basierten Phosphormaterials

Info

Publication number: DE102005014459A1
Application number: DE102005014459A
Authority: DE
Inventors: Janet Bee Yin Chua; Kee Yean Prai Ng; Azlida Ahmad
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-02-02
Also published as: JP2006024935A; TW200603433A; US20060006397A1

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht verwenden ein Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basiertes Phosphormaterial, um zumindest einen Teil des ursprünglichen Lichtes, das von einer Lichtquelle der Vorrichtung emittiert wird, in ein Licht längerer Wellenlänge umzuwandeln, um das optische Spektrum des Ausgangslichtes zu verändern. Somit können die Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden, um Licht weißer Farbe zu erzeugen. Die Vorrichtung und das Verfahren können auch Thiogallat-basiertes Phosphormaterial verwenden.

Description

Bei dieser Anmeldung handelt es sich um eine Teilfortsetzung der Anmeldung Seriennr. 10/887,598, eingereicht am 9. Juli 2004, für die Priorität beansprucht wird. Die gesamte ältere Anmeldung ist hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Herkömmliche Lichtquellen, wie z. B. Glüh-, Halogen- und Leuchtstofflampen, sind in den vergangenen 20 Jahren nicht wesentlich verbessert worden. Licht emittierende Dioden („LEDs") sind jedoch hinsichtlich des Betriebswirkungsgrades bis zu einem Punkt verbessert worden, an dem LEDs nun die herkömmlichen Lichtquellen bei herkömmlichen einfarbigen Beleuchtungsanwendungen, wie z. B. Verkehrssignallichtern und Autorücklichtern, ersetzen. Der Grund hierfür liegt teilweise in der Tatsache, dass LEDs viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Lichtquellen aufweisen. Diese Vorteile umfassen eine längere Betriebslebensdauer, einen geringeren Leistungsverbrauch und eine geringere Größe.

LEDs sind normalerweise einfarbige Halbleiterlichtquellen und sind derzeit in verschiedenen Farben von UV-Blau bis Grün, Gelb und Rot erhältlich. Auf Grund der Schmalbandemissionscharakteristika können einfarbige LEDs nicht direkt für „Weiß-"Lichtanwendungen verwendet werden. Vielmehr muss das Ausgangslicht einer einfarbigen LED mit einem anderen Licht einer oder mehr unterschiedlicher Wellenlängen gemischt werden, um weißes Licht zu erzeugen. Zwei gängige Lösungsansätze zum Erzeugen weißen Lichtes unter Verwendung einfarbiger LEDs umfassen (1) ein Zusammenpacken einzelner roter, grüner und blauer LEDs, so dass das Licht, das von diesen LEDs emittiert wird, kombiniert wird, um weißes Licht zu erzeugen, und (2) ein Einbringen von fluoreszierendem Material in eine UV-, blaue oder grüne LED, so dass ein Teil des ursprünglichen Lichts, das durch den Halbleiterchip der LED emittiert wird, in Licht längerer Wellenlänge umgewandelt wird und mit dem ursprünglichen UV- , blauen oder grünen Licht kombiniert wird, um weißes Licht zu erzeugen.

Von diesen beiden Lösungsansätzen zum Erzeugen weißen Lichtes unter Verwendung einfarbiger LEDs wird der zweite Lösungsansatz dem ersten Lösungsansatz im Allgemeinen vorgezogen. Im Gegensatz zu dem zweiten Lösungsansatz erfordert der erste Lösungsansatz eine komplexere Treiberschaltungsanordnung, da die roten, grünen und blauen LEDs Halbleiterchips umfassen, die unterschiedliche Betriebsspannungsanforderungen aufweisen. Zusätzlich zu den unterschiedlichen Betriebsspannungsanforderungen verschlechtern sich die roten, grünen und blauen LEDs unterschiedlich im Lauf ihrer Betriebslebensdauer, was eine Farbsteuerung über einen längeren Zeitraum unter Verwendung des ersten Lösungsansatzes schwierig macht. Da nur ein einziger Typ von einfarbiger LED für den zweiten Lösungsansatz benötigt wird, kann unter Verwendung des zweiten Lösungsansatzes außerdem eine kompaktere Vorrichtung hergestellt werden, die einen einfacheren Aufbau und geringere Herstellungskosten aufweist. Außerdem kann der zweite Lösungsansatz eine breitere Lichtemission ergeben, was ein weißes Ausgangslicht, das höhere Farbwiedergabecharakteristika aufweist, bedeuten würde.

Ein Problem bei dem zweiten Lösungsansatz zum Erzeugen weißen Lichtes besteht darin, dass das fluoreszierende Material, das derzeit verwendet wird, um das ursprüngliche UV-, blaue oder grüne Licht umzuwandeln, LEDs ergibt, die im Lauf der Zeit eine nicht gerade wünschenswerte Luminanzeffizienz und/oder Lichtausgabestabilität aufweisen.

Im Hinblick auf dieses Problem besteht ein Bedarf an einer LED und einem Verfahren zum Emittieren weißen Ausgangslichtes unter Verwendung von ein oder mehr fluoreszierenden Phosphormaterialien mit einer hohen Luminanzeffizienz und einer guten Lichtausgabestabilität.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht verwenden ein Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basiertes Phosphormaterial, um zumindest einen Teil des ursprünglichen Lichts, das von einer Lichtquelle der Vorrichtung emittiert wird, in Licht längerer Wellenlänge umzuwandeln, um das optische Spektrum des Ausgangslichts zu verändern. Somit können die Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden, um Licht weißer Farbe zu erzeugen. Die Vorrichtung und das Verfahren können auch ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial verwenden.

Eine Vorrichtung zum Emittieren von Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Lichtquelle, die ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert, und eine Wellenlängenverschieberegion, die optisch mit der Lichtquelle gekoppelt ist, um das erste Licht zu empfangen. Die Wellenlängenverschieberegion umfasst ein Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basiertes Phosphormaterial, das eine Eigenschaft aufweist, zumindest einen Teil des ersten Lichts in ein zweites Licht- einer zweiten Spitzenwellenlänge umzuwandeln. Das zweite Licht ist eine Komponente des Ausgangslichts.

Ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Erzeugen eines ersten Lichts einer ersten Spitzenwellenlänge, ein Empfangen des ersten Lichts, was ein Umwandeln zumindest eines Teils des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge unter Verwendung eines Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten Phosphormaterials umfasst, und ein Emittieren des zweiten Lichts als eine Komponente des Ausgangslichts.

Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen, die mittels Beispielen der Prinzipien der Erfindung veranschaulicht wird, ersichtlich. Es zeigen:
1 ein Diagramm einer weißen Phosphorumwandlungs-LED gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A, 2B und 2C Diagramme von weißen Phosphorumwandlungs-LEDs mit alternativen Lampenkonfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3A, 3B, 3C und 3D Diagramme von weißen Phosphorumwandlungs-LEDs mit einem Leitungsrahmen, der eine Reflektorschale gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist;
4 das optische Spektrum einer weißen Phosphorumwandlungs-LED gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Emittieren von Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Mit Bezugnahme auf 1 ist eine mittels Phosphor umgewandeltes weißes Licht emittierende Diode (LED) 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die LED 100 ist konzipiert, um ein Ausgangslicht „weißer" Farbe mit einer hohen Luminanzeffizienz und einer guten Lichtausgabestabilität zu erzeugen. Das weiße Ausgangslicht wird erzeugt durch ein Umwandeln eines Teils des ursprünglichen Lichtes, das durch die LED 100 erzeugt wird, in Licht längerer Wellenlänge unter Verwendung eines Gruppe-IIA/IIB-Selenid-Schwefel-basierten Phosphormaterials. Die LED 100 kann auch ein oder mehr zusätzliche Phosphormaterialien, wie z.B. Thiogallat-basiertes Phosphormaterial, verwenden.
Wie es in 1 gezeigt ist, handelt es sich bei der weißen Phosphorumwandlungs-LED 100 um eine Leitungsrahmenbefestigte LED. Die LED 100 umfasst einen LED-Chip 102, Leitungsrahmen 104 und 106, einen Draht 108 und eine Lampe 110. Der LED-Chip 102 ist ein Halbleiterchip, der Licht einer bestimmten Spitzenwellenlänge erzeugt. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der LED-Chip 102 konzipiert, um Licht zu erzeugen, das eine Spitzenwellenlänge in dem blauen Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums aufweist, was etwa 420 nm bis 490 nm entspricht. Der LED-Chip 102 befindet sich an dem Leitungsrahmen 104 und ist über den Draht 108 elektrisch mit dem anderen Leitungsrahmen 106 verbunden. Die Leitungsrahmen 104 und 106 liefern die elektrische Leistung, die erforderlich ist, um den LED-Chip 102 zu treiben. Der LED-Chip 102 ist in der Lampe 110 eingekapselt, bei der es sich um ein Medium für die Ausbreitung des Lichtes von dem LED-Chip 102 handelt. Die Lampe 110 umfasst einen Hauptabschnitt 112 und einen Ausgabeabschnitt 114. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausgabeabschnitt 114 der Lampe 110 kuppelförmig, um als eine Linse zu fungieren. Somit wird das Licht, das von der LED 100 als Ausgangslicht emittiert wird, durch den kuppelförmigen Ausgabeabschnitt 114 der Lampe 110 fokussiert. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Ausgabeabschnitt 114 der Lampe 110 jedoch horizontal planar sein.
Die Lampe 110 der weißen Phosphorumwandlungs-LED 100 ist aus einer transparenten Substanz hergestellt, bei der es sich um jedes beliebige transparente Material handeln kann, wie z. B. klares Epoxid, so dass sich Licht von dem LED-Chip 102 durch die Lampe bewegen und aus dem Ausgabeabschnitt 114 der Lampe emittiert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Lampe 110 eine Wellenlängenverschieberegion 116, bei der es sich ebenfalls um ein Medium zum Ausbreiten von Licht handelt, die aus einer Mischung der transparenten Substanz und zwei Typen von fluoreszierenden Phosphormaterialien, die auf Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel 118 und Thiogallat 119 basieren, hergestellt ist. Das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial 118 und das Thiogallat-basierte Phosphormaterial 119 werden verwendet, um einen Teil des ursprünglichen Lichtes, das durch den LED-Chip 102 emittiert wird, in ein Licht niedrigerer Energie (längerer Wellenlänge) umzuwandeln. Das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial 118 absorbiert einen Teil des ursprünglichen Lichtes einer ersten Spitzenwellenlänge von dem LED-Chip 102, was die Atome des Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten Phosphormaterials anregt, und emittiert Licht längerer Wellenlänge einer zweiten Spitzenwellenlänge. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial 118 eine Eigenschaft auf, einen Teil des ursprünglichen Lichts von dem LED-Chip 102 in Licht einer längeren Spitzenwellenlänge in dem orangen/roten Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums umzuwandeln, was etwa 585 nm bis 800 nm entspricht. Auf ähnliche Weise absorbiert das Thiogallatbasierte Phosphormaterial 119 einen Teil des ursprünglichen Lichts von dem LED-Chip 102, was die Atome des Thiogallatbasierten Phosphormaterials anregt, und emittiert Licht längerer Wellenlänge einer dritten Spitzenwellenlänge. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Thiogallat-basierte Phosphormaterial 119 eine Eigenschaft auf, einen Teil des ursprünglichen Lichts von dem LED-Chip 102 in Licht einer längeren Spitzenwellenlänge in dem grünen Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums umzuwandeln, was etwa 490 nm bis 575 nm entspricht. Die zweite und dritte Spitzenwellenlänge des umgewandelten Lichts sind teilweise durch die Spitzenwellenlänge des ursprünglichen Lichts und das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel basierte Phosphormaterial 118 und das Thiogallat-basierte Phosphormaterial 119 definiert. Das nicht absorbierte ursprüngliche Licht von dem LED-Chip 102 und das umgewandelte Licht werden kombiniert, um ein Licht „weißer" Farbe zu erzeugen, das von dem Lichtausgabeabschnitt 114 der Lampe 110 als Ausgangslicht der LED 100 emittiert wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial 118, das in der Wellenlängenverschieberegion 116 der Lampe 110 enthalten ist, Zink (Zn), Cadmium (Cd), Calcium (Ca), Magnesium (Mg) und/oder Barium (Ba). Das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial 118 ist durch einen oder mehr geeignete Dotierstoffe aktiviert, wie z. B. Kupfer (Cu), Chlor (Cl), Fluor (F), Brom (Br) und Silber (Ag) und Seltenerdelemente. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten Phosphormaterial 118 um Phosphor, der aus Zn, Selenid und Schwefel hergestellt ist, bevorzugt ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphor.
Bei dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial 119, das in der Wellenlängenverschieberegion 116 der Lampe 110 enthalten ist, kann es sich um ein Metall-Thiogallat-basiertes Phosphormaterial handeln, das durch einen oder mehr geeignete Dotierstoffe, wie z. B. Seltenerdelemente, aktiviert ist. Das Metall-Thiogallat-basierte Phosphormaterial kann eine Struktur aufweisen, die durch MN_xS_y definiert ist, wobei M ein Gruppe-IIA-Element, wie z. B. Barium (Ba), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Magnesium (Mg), ist, N ein Gruppe-IIIA-Element, wie z. B. Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In), ist, und x und y Zahlen sind, z. B. x gleich 2 und y gleich 4, oder x gleich 4 und y gleich 7. Alternativ dazu kann das Metall-Thiogallat-basierte Phosphormaterial eine Struktur aufweisen, die durch MMN_xS_y definiert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Thiogallat-basierte Phosphormaterial 119 ein Barium-Strontium-Gallium-Sulfid, das durch einen oder mehr geeignete Dotier stoffe, wie z.B. Seltenerdelemente, aktiviert ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial 119 um einen Phosphor, der aus BaSrGa₄S₇:Eu hergestellt ist.
Der bevorzugte ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphor kann durch verschiedene Techniken generiert werden. Eine Technik umfasst ein Trockenvermahlen eines molaren 1:1-Verhältnisses von undotierten ZnSe- und ZnS-Materialien in feine Pulver oder Kristalle, die weniger als 5 μm groß sein können. Eine kleine Menge von CuCl₂-Dotierstoffen wird dann zu deionisiertem Wasser oder einer Lösung aus der Alkoholfamilie, wie z. B. Methanol, hinzugefügt und mit den undotierten ZnSe_0,5S_0,5-Pulvern kugelvermahlen. Die Menge der CuCl₂-Dotierstoffe, die zu der Lösung hinzugefügt wird, kann irgendwo zwischen einer minimalen Menge (wenige Teile je Million Teile) bis zu etwa vier Prozent des Gesamtgewichtes von ZnSe_0,5S_0,5-Material und CuCl₂-Dotierstoffen liegen. Das dotierte Material wird dann bei etwa einhundert Grad Celsius (100°C) ofengetrocknet, und der sich ergebende Kuchen wird erneut trockenvermahlen, um kleine Partikel zu erzeugen. Das gemahlene Material wird in einen Tiegel geladen, wie z. B. einen Quarztiegel, und bei einer inerten Atmosphäre bei etwa eintausend Grad Celsius (1.000°C) eine bis zwei Stunden gesintert. Die gesinterten Materialien können dann, falls nötig, gesiebt werden, um ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphorpulver mit einer gewünschten Partikelgrößenverteilung, die im Mikrometerbereich liegen kann, zu erzeugen.
Die ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphorpulver können weiter verarbeitet werden, um Phosphorpartikel mit einer Silikabeschichtung zu erzeugen. Die Silikabeschichtung auf den Phosphorpartikeln reduziert ein Gruppieren oder Agglomerieren der Phosphorpartikel, wenn die Phosphorpartikel mit einer transparenten Substanz gemischt werden, um eine Wellenlängenverschieberegion in einer LED, wie z. B. die Wellenlängenverschieberegion 116 der Lampe 110, zu bilden. Das Gruppieren oder Agglomerieren von Phosphorpartikeln kann eine LED ergeben, die ein Ausgangslicht erzeugt, das eine uneinheitliche Farbverteilung aufweist.
Um eine Silikabeschichtung auf den ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphorpartikeln aufzubringen, werden die gesiebten Materialien einem Ausheilungsprozess unterworfen, um die Phosphorpartikel auszuheilen und Verunreinigungsstoffe zu entfernen. Anschließend werden die Phosphorpartikel mit Silikapulvern gemischt, und dann wird die Mischung in einem Ofen bei etwa 200 Grad Celsius erhitzt. Die angelegte Hitze bildet eine dünne Silikabeschichtung auf den Phosphorpartikeln. Die Silikamenge auf den Phosphorpartikeln beträgt etwa 1% mit Bezug auf die Phosphorpartikel. Die sich ergebenden ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphorpartikel mit Silikabeschichtung können eine Partikelgröße von kleiner oder gleich dreißig (30) Mikrometern aufweisen.
Der bevorzugte BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphor kann ebenfalls durch verschiedene Techniken generiert werden. Eine Technik umfasst ein Verwenden von BaS, SrS und Ga₂S₃ als Vorläufer. Die Vorläufer werden in deionisiertem Wasser oder einer Lösung aus der Alkoholfamilie, wie z. B. Methanol, zusammen mit einer kleinen Menge von Eu-Dotierstoff, Flussmitteln (Cl und F) und überschüssigem Schwefel kugelvermahlen. Die Menge des Eu-Dotierstoffs, der der Lösung hinzugefügt wird, kann irgendwo zwischen einer minimalen Menge bis etwa zehn Prozent des Gesamtgewichts aller Inhaltsstoffe liegen. Das dotierte Material wird dann getrocknet und nachfolgend gemahlen, um feine Partikel zu erzeugen. Die gemahlenen Partikel werden dann in einen Tiegel, wie z. B. einen Quarztiegel, geladen und bei einer inerten Atmosphäre bei etwa achthundert Grad Celsius (800°C) eine oder zwei Stunden gesintert. Die gesinterten Materialien können dann, falls nötig, gesiebt werden, um BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphorpulver mit einer gewünschten Partikelgrößenverteilung, die im Mikrometerbereich liegen kann, zu erzeugen.
Ähnlich den ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphorpulvern können die BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphorpulver weiter verarbeitet werden, um Phosphorpartikel mit einer Silikabeschichtung zu erzeugen. Die sich ergebenden BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphorpartikel mit Silikabeschichtung können eine Partikelgröße von kleiner oder gleich vierzig (40) Mikrometern aufweisen.
Nach dem Abschluss des ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl- und des BaSr-Ga₄S₇:Eu-Syntheseprozesses können die ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl- und BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphorpulver mit der gleichen transparenten Substanz der Lampe 110, z. B. Epoxid, gemischt werden und um den LED-Chip 102 aufgebracht werden, um die Wellenlängenverschieberegion 116 der Lampe zu bilden. Das Verhältnis zwischen den zwei unterschiedlichen Typen von Phosphorpulvern kann eingestellt werden, um unterschiedliche Farbcharakteristika für die weiße Phosphorumwandlungs-LED 100 zu erzeugen. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen den ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphorpulvern und den BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphorpulvern [1:7] betragen. Der verbleibende Teil der Lampe 110 kann durch ein Aufbringen der transparenten Substanz ohne die ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl- und BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphorpulver gebildet werden, um die LED 100 zu erzeugen. Obwohl die Wellenlängenverschieberegion 116 der Lampe 110 in 1 so gezeigt ist, dass dieselbe eine rechteckige Form aufweist, kann die Wellenlängenverschieberegion in anderen Formen, wie z. B. einer Halbkugel, konfiguriert sein, wie es in 3A gezeigt ist. Außerdem kann es sein, dass die Wellenlängenverschieberegion 116 bei anderen Ausführungsbeispielen nicht physisch mit dem LED-Chip 102 gekoppelt ist. Somit kann die Wellenlängenverschieberegion 116 bei diesen Ausführungsbeispielen anderswo in der Lampe 110 positioniert sein.
In den 2A, 2B und 2C sind weiße Phosphorumwandlungs-LEDs 200A, 200B und 200C mit alternativen Lampenkonfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die weiße Phosphorumwandlungs-LED 200A von 2A umfasst eine Lampe 210A, bei der die gesamte Lampe eine Wellenlängenverschieberegion ist. Somit ist bei dieser Konfiguration die gesamte Lampe 210A aus der Mischung der transparenten Substanz und der Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien 118 und 119 hergestellt. Die weiße Phosphorumwandlungs-LED 200B von 2B umfasst eine Lampe 210B, bei der eine Wellenlängenverschieberegion 216B an der äußeren Oberfläche der Lampe angeordnet ist. Somit wird bei dieser Konfiguration zuerst die Region der Lampe 210B ohne das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte und das Thiogallat-basierte Phosphormaterial 118 und 119 über dem LED-Chip 102 gebildet, und dann wird die Mischung der transparenten Substanz und der Phosphormaterialien über diese Region aufgebracht, um die Wellenlängenverschieberegion 216B der Lampe zu bilden. Die weiße Phosphorumwandlungs-LED 200C von 2C umfasst eine Lampe 210C, bei der eine Wellenlängenverschieberegion 216C eine dünne Schicht der Mischung der transparenten Substanz und der Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten und Thiogallatbasierten Phosphormaterialien 118 und 119 ist, die über den LED-Chip 102 aufgetragen ist. Somit wird bei dieser Konfiguration zuerst der LED-Chip 102 mit der Mischung der transparenten Substanz und der Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien 118 und 119 beschichtet oder bedeckt, um die Wellenlängenverschieberegion 216C zu bilden, und dann kann der verbleibende Teil der Lampe 210C durch ein Aufbringen der transparenten Substanz ohne die Phosphormaterialien über der Wellenlängenverschieberegion gebildet werden. Beispielsweise kann die Dicke der Wellenlängenverschieberegion 216C der LED 200C zwischen zehn (10) und sechzig (60) Mikrometern liegen, abhängig von der Farbe des Lichtes, das durch den LED-Chip 102 erzeugt wird.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Leitungsrahmen einer weißen Phosphorumwandlungs-LED, an dem der LED-Chip positioniert ist, eine Reflektorschale umfassen, wie es in den 3A, 3B, 3C und 3D veranschaulicht ist. Die 3A-3D zeigen weiße Phosphorumwandlungs-LEDs 300A, 300B, 300C und 300D mit unterschiedlichen Lampenkonfigurationen, die einen Leitungsrahmen 320 umfassen, der eine Reflektorschale 322 aufweist. Die Reflektorschale 322 stellt eine vertiefte Region bereit, damit der LED-Chip 102 so positioniert ist, dass ein Teil des Lichtes, das durch den LED-Chip erzeugt wird, von dem Leitungsrahmen 320 weg reflektiert wird, um von der jeweiligen LED als Nutzausgangslicht emittiert zu werden.
Die unterschiedlichen Lampenkonfigurationen, die im Vorhergehenden beschrieben sind, können bei anderen Typen von LEDs, wie z. B. oberflächenbefestigten LEDs, angewendet werden, um andere Typen von weißen Phosphorumwandlungs-LEDs mit Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien gemäß der Erfindung herzustellen. Zusätzlich können diese unterschiedlichen Lampenkonfigurationen bei anderen Typen von Licht emittierenden Vorrichtungen, wie z. B. Halbleiterlaservorrichtungen, angewendet werden, um andere Typen von Licht emittierenden Vorrichtungen gemäß der Erfindung herzustellen. Bei diesen Licht emittierenden Vorrichtungen kann es sich bei der Lichtquelle um jede beliebige andere Lichtquelle als einen LED-Chip handeln, wie z. B. eine Laserdiode.
Unter jetziger Zuwendung zu 4 ist das optische Spektrum 424 einer Phosphorumwandlungs-LED mit einem blauen (440-480 nm) LED-Chip gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Wellenlängenverschieberegion für diese LED wurde mit fünfundsechzig Prozent (65%) ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl- und BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphor relativ zu Epoxid gebildet. Die prozentuale Menge oder der Beladungsgehalt von ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl- und BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphor, der in der Wellenlängenverschieberegion der LED enthalten ist, kann der Phosphoreffizienz entsprechend variiert werden. Wenn die Phosphoreffizienz erhöht wird, z. B. durch ein Verändern der Menge von Dotierstoff(en), kann der Bela dungsgehalt von ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl- und BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphor reduziert werden. Das optische Spektrum 424 umfasst eine erste Spitzenwellenlänge 426 bei etwa 460 nm, die der Spitzenwellenlänge des Lichtes entspricht, das von dem blauen LED-Chip emittiert wird. Das optische Spektrum 424 umfasst auch eine zweite Spitzenwellenlänge 428 bei etwa 540 nm, bei der es sich um die Spitzenwellenlänge des Lichts handelt, das durch den BaSrGa₄S₇:Eu-Phosphor in der Wellenlängenverschieberegion der LED umgewandelt wird, und eine dritte Spitzenwellenlänge 430 bei etwa 625 nm, bei der es sich um die Spitzenwellenlänge des Lichtes handelt, das durch den ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl-Phosphor in den Wellenlängenverschieberegionen der LED umgewandelt wird.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit Bezug auf 5 beschrieben. Bei Block 502 wird ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge erzeugt. Das erste Licht kann durch einen LED-Chip erzeugt werden. Anschließend wird bei Block 504 das erste Licht empfangen, und ein Teil des ersten Lichtes wird unter Verwendung des Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten Phosphormaterials in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge umgewandelt. Bei Block 504 kann ein Teil des ersten Lichtes in zusätzliches Licht umgewandelt werden unter Verwendung von einem oder mehr Phosphormaterialien, wie z. B. einem Thiogallatbasierten Phosphormaterial. Anschließend werden bei Block 506 das erste Licht und das zweite Licht als Komponenten des Ausgangslichtes emittiert.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, soll die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von so beschriebenen und veranschaulichten Teilen beschränkt sein. Außerdem ist die Erfindung nicht auf Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von weißem Ausgangslicht beschränkt. Die Erfindung umfasst auch Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen anderer Typen von Ausgangslicht. Beispielsweise können das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial und/oder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial gemäß der Erfindung bei einer Licht emittierenden Vorrichtung verwendet werden, bei der praktisch das gesamte ursprüngliche Licht, das durch eine Lichtquelle erzeugt wird, in Licht unterschiedlicher Wellenlänge umgewandelt wird, wobei es in diesem Fall sein kann, dass die Farbe des Ausgangslichtes nicht weiß ist. Der Schutzumfang der Erfindung soll durch die hieran angehängten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert sein.

Claims

Vorrichtung zum Emittieren von Ausgangslicht, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (102), die ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert; und eine Wellenlängenverschieberegion (116; 210A, 216B; 216C), die optisch mit der Lichtquelle gekoppelt ist, um das erste Licht zu empfangen, wobei die Wellenlängenverschieberegion ein Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basiertes Phosphormaterial (118) umfasst, das eine Eigenschaft aufweist, zumindest einen Teil des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge umzuwandeln, wobei das zweite Licht eine Komponente des Ausgangslichts ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial (118) mit zumindest einem Seltenerdelement dotiert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial (118) ein Element umfasst, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Zink, Cadmium, Calcium, Magnesium und Barium umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial (118) Zinkselenid-Schwefel umfasst, der durch Kupfer und Chlor aktiviert ist, wie es durch die Formel ZnSe_0,5S_0,5:Cu, Cl definiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Wellenlängenverschieberegion (116; 210A, 216B; 216C) ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial (119) umfasst, das eine Eigenschaft aufweist, einen Teil des ersten Lichts in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge umzuwandeln, wobei das dritte Licht eine Komponente des Ausgangslichts ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) eine Struktur aufweist, die durch MN_xS_y definiert ist, wobei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) eine Struktur aufweist, die durch eines von MN₂S₄ und MN₄S₇ definiert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) eine Struktur aufweist, die durch MMN_xS_y definiert ist, wobei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) Barium-Strontium-Gallium-Sulfid umfasst, das durch Europium aktiviert ist, wie es durch die Formel BaSrGa₄S₇:Eu definiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der zumindest eines von dem Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten Phosphormaterial (118) und dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial (119) Phos phorpartikel umfasst, die eine Silikabeschichtung aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem. der Ansprüche 5 bis 10, bei der das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefelbasierte Phosphormaterial (118) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von kleiner oder gleich 30 Mikrometer aufweisen, und bei der das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von kleiner oder gleich 40 Mikrometer aufweisen.
Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen (502) eines ersten Lichts einer ersten Spitzenwellenlänge; Empfangen (504) des ersten Lichts, was ein Umwandeln zumindest eines Teils des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge unter Verwendung eines Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefelbasierten Phosphormaterials (118) umfasst; und Emittieren (506) des zweiten Lichts als einer Komponente des Ausgangslichts.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial (118) mit zumindest einem Seltenerdelement dotiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial (118) ein Element umfasst, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Zink, Cadmium, Calcium, Magnesium und Barium umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Empfangen (504) ein Umwandeln eines Teils des ersten Lichts in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge unter Verwendung eines Thiogallatbasierten Phosphormaterials (119) umfasst, wobei das dritte Licht eine Komponente des Ausgangslichts ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) eine Struktur aufweist, die durch MN_xS_y definiert ist, wobei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) eine Struktur aufweist, die durch eines von MN₂S₄ oder MN₄S₇ definiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) eine Struktur aufweist, die durch MMN_xS_y definiert ist, wobei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem zumindest eines von dem Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierten Phosphormaterial (118) und dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial (119) Phosphorpartikel umfasst, die eine Silikabeschichtung aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem das Gruppe-IIA/IIB-Element-Selenid-Schwefel-basierte Phosphormaterial (118) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von kleiner oder gleich 30 Mikrometer aufweisen, und bei dem das Thiogallatbasierte Phosphormaterial (119) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von kleiner oder gleich 40 Mikrometer aufweisen.