DE102005031523A1

DE102005031523A1 - Halbleiterlichtquelle

Info

Publication number: DE102005031523A1
Application number: DE102005031523A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Letz; Karine Dr. Seneschal; Ulrich Dr. Peuchert; Axel Dr. Engel; Edgar Pawlowski; Thilo Dr. Zachau; Joseph S. Dr. Hayden; Carol Dr. Click
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: US20070012887A1; DE102005031523B4; JP2007013148A

Abstract

Es wird eine Halbleiterlichtquelle mit einem Halbleiteremitter (12) angegeben, der zur Emission von Lichtenergie ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer LED, mit einem lumineszierenden Lichtkonversionsmedium (18) aus Glas oder Glaskeramik zur Umsetzung emittierter Lichtenergie in Lichtenergie mit einem anderen Frequenzspektrum, und mit einem Koppelmedium (20) zum Auskoppeln der Lichtenergie in ein umgebendes Medium, wie etwa Luft, wobei das Lichtkonversionsmedium (18) einen Brechungsindex n¶cs¶ hat, der in Abhängigkeit vom Brechungsindex n¶HL¶ des Halbleiteremitters (12) ausgewählt ist im Bereich von 0,7 È (n¶HL¶·2·)·1/3· bis 1,3 È (n¶HL¶·2·)·1/3· (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlichtquelle mit einem Halbleiteremitter, der zur Emission von Lichtenergie ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer LED, mit einem lumineszierenden Lichtkonversionsmedium aus Glas oder Glaskeramik zur Umsetzung emittierter Lichtenergie in Lichtenergie mit einem anderen Frequenzspektrum, und mit einem Koppelmedium zum Auskoppeln der Lichtenergie in ein umgebendes Medium, wie etwa Luft.

Um in der Beleuchtungstechnik den Wirkungsgrad von Lichtquellen zu steigern, ist man bestrebt, die herkömmlichen Glühlichtquellen oder fluoreszierenden Lichtquellen durch Halbleiterlichtquellen zu ersetzen. Halbleiterlichtquellen in Form von LEDs erzeugen Licht in einem sehr engen Spektralbereich, während für Beleuchtungszwecke meist weißes Licht benötigt wird. Kommerziell erhältliche weiße LEDs verwenden einen III-Nitrid-Emitter für die Anregung eines lumineszierenden Materials, das eine Sekundärwellenlänge in einem niedrigeren Wellenlängenbereich emittiert (Downkonversion). Eine bekannte Möglichkeit verwendet eine blaue InGaN/GaN-LED, um einen breitbandigen, gelben Leuchtstoff, YAG:Ce, anzuregen. Bei diesen mittels Leuchtstoff konvertierten LEDs gelangt ein bestimmter Anteil der blauen Emission durch die Leuchtstoffschicht, die den LED-Chip bedeckt, so dass das sich ergebende Gesamtspektrum eine Farbe aufweist, die weißem Licht sehr nahe kommt. Wegen des Fehlens von Spektralanteilen im Blau/Grün-Bereich und im roten Wellenlängenbereich ist die Farbe hierzu jedoch in den meisten Fällen nicht zufriedenstellend.

Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung eines im UV- oder nahen UV-Bereich emittierenden Halbleiteremitters, der mit einem vollfarbigen Leuchtstoff-System gekoppelt wird. Hiermit lassen sich farbmäßig zufriedenstellende Weißlichtquellen realisieren (vgl. Phys. Stud. Sol. (a) 192 Nr. 2, 237–245 (2002, M.R. Krames et al.: High-Power III-Nitride Emitters for Solid-State Lighting").

Hierbei werden die Leuchtstoffpartikel in Epoxidharz eingebettet und als Lumineszenzschicht auf den Halbleiteremitter aufgebracht.

Bei den vorgenannten Leuchtstoff-Systemen, die zur Umsetzung des von den LEDs emittierten Lichtes in einen gewünschten Spektralbereich, insbesondere zur Erzeugung von weißem Licht dienen, ergeben sich gewisse Nachteile durch die Einbettung der verwendeten Leuchtstoffe in Epoxidharz. Durch die verwendeten Granulate entstehen Streuverluste. Eine nichthomogene Verteilung des Granulats auf dem Halbleiteremitter kann winkelabhängig zu unterschiedlichen Farbeindrücken führen. Darüber hinaus sind Epoxidharze in vielerlei Hinsicht nicht langzeitstabil, insbesondere bezüglich ihrer optischen und mechanischen Eigenschaften. Auch die thermische Stabilität und die Stabilität gegenüber kurzwelliger Strahlung im blauen oder UV-Spektralbereich ist in der Regel unzureichend. Außerdem ist die Herstellung derartiger Konversionsschichten aufwändig und teuer.

Aus der US 2003/0025449 A1 ist eine LED gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, bei der das von einem LED-Chip emittierte Licht über einen Hohlraum, der mit einem UV-stabilen optischen Medium mit einem Brechungsindex von 1,4 bis 1,5 gefüllt ist, zu einer Kappe gelangt, die aus lumineszierendem Glas besteht, um das emittierte Licht in einen langwelligeren Spektralbereich umzusetzen. Bei einer alternativen Ausführung ist der den Chip umgebende Hohlraum mit einem optischen Kopplungsmedium in Form eines lumineszierenden Materials befüllt, das derart ausgebildet ist, dass das gesamte Emissionsspektrum weiß erscheint. Die Kappe 18 hat in diesem Fall optische Eigenschaften, es kann sich um eine optische Fresnel-Linse, eine bifokale Linse, eine plano-konvexe oder eine plano-konkave Linse handeln.

Eine weitere Halbleiterlichtquelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der DE 103 11 820 A1 bekannt.

Hierbei wird das von einer LED emittierte Licht über einen lumineszierenden Glaskörper, der aus einem Basisglas mit einer Seltenerddotierung besteht, in langwelligeres Licht umgesetzt. Die Seltenerddotierung kann bis zu 30 Gew.-% betragen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Eu₂O₃ oder CeO₂. Bei dem Basisglas kann es sich um ein Borosilikatglas, ein Erdalkaliborosilikatglas, ein Aluminoborosilikatglas, ein Bleisilikatglas (Flintglas), ein Kalknatronglas (Kronglas), ein Alkali-Erdalkalisilikatglas, ein Lanthanoxidboratglas oder ein Bariumoxidsilikatglas handeln. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Basisglas um ein Fluorophosphatglas.

Obwohl gemäß der beiden letztgenannten Dokumente schon eine deutliche Verbesserung erreicht wird, indem durch die Verwendung von Glas oder Glaskeramik für das lumineszierende Konversionsmaterial eine deutlich verbesserte Homogenität und Langzeitstabilität erreicht wird, weisen die bekannten Systeme doch Nachteile auf. Insbesondere sind die Reflektionsverluste an den Grenzflächen zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems relativ hoch.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Halbleiterlichtquelle anzugeben, bei der die Reflektionsverluste möglichst gering gehalten sind und die einen einfachen und langzeitstabilen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiterlichtquelle gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Lichtkonversionsmedium einen Brechungsindex n_CS hat, der in Abhängigkeit vom Brechungsindex n_HL des Halbleiteremitters ausgewählt ist im Bereich von 0,7·(n_HL ²)^1/3 bis 1,3·(n_HL ²)^1/3, vorzugsweise im Bereich von 0,8·(n_HL ²)^1/3 bis 1,2·(n_HL ²)^1/3, besonders bevorzugt im Bereich von 0,9·(n_HL ²)^1/3 bis 1,1·(n_HL ²)^1/3.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Bei einer derartigen Einstellung des Brechungsindex des Konversionsmediums werden Reflektionsverluste beim Übergang der Lichtenergie aus dem Halbleiteremitter in das Lichtkonversionsmedium minimiert. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Halbleiterlichtquelle deutlich erhöht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Koppelmedium ein Glas, eine Glaskeramik oder ein Kunststoff.

Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Ausgestaltung als Linse handeln, um einen gebündelten Lichtaustritt aus der Halbleiterlichtquelle zu erreichen.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist das Koppelmedium einen Brechungsindex n_oo auf, der in Abhängigkeit vom Brechungsindex n_HL des Halbleiteremitters ausgewählt ist im Bereich von 0,7·(n_HL)^1/3 bis 1,3·(n_HL)^1/3, vorzugsweise im Bereich von 0,8(n_HL)^1/3 bis 1,2·(n_HL)^1/3, besonders bevorzugt im Bereich von 0,9·(n_HL)^1/3 bis 1,1·(n_HL)^1/3.

Es sind auf diese Weise sowohl der Brechungsindex des Lichtkonversionsmediums als auch der Brechungsindex des Koppelmediums auf den Brechungsindex des Halbleiteremitters abgestimmt. So lässt sich eine besonders hohe Lichtausbeute durch Vermeidung von Reflektionsverlusten erzielen.

Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Lichtkonversionsmedium und das Koppelmedium identisch sind. In der Regel wird jedoch ein gesondertes Koppelmedium verwendet, um eine geeignete Lichtführung zu erreichen.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist das Lichtkonversionsmedium für eine Umsetzung von Lichtenergie im blauen oder UV-Bereich in weißes Licht ausgebildet.

Dies hat den Vorteil, dass im blauen und im UV-Bereich (also etwa im Bereich von 350 bis 480 nm) emittierende LEDs verwendet werden können, um weißes Licht zu erzeugen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Lichtkonversionsmedium einen thermischem Ausdehnungskoeffizienten auf, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates des Halbleiteremitters angepasst ist.

Hierbei beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient des Lichtkonversionsmediums mindestens 2,5·10^–6/K. Bevorzugt erfolgt eine Anpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials, aus dem der Halbleiteremitter besteht. Dieser beträgt (in 10^–6/K):

InN	3,8/2,9
GaN	3,17/5,59
GaP	4,65
AlN	5,27/4,15
Al₂O₃	5,6/5,0

Hierbei bedeutet die Angabe von Doppelwerten die thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei anisotropen Materialien.

Auf diese Weise werden Spannungen, die durch Temperaturunterschiede zwischen dem Halbleiteremitter bzw. dem Substrat, auf dem dieser aufgebracht ist, und dem Lichtkonversionsmedium entstehen, vermieden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Lichtkonversionsmedium ein optisches transparentes Basismaterial mit einer Dotierung mit zumindest einem Seltenerdmetall auf, insbesondere mit Ce, Eu, Tb, Tm oder Sm, die fluoreszierend oder lumineszierend ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Basismaterial ein Lanthan-Phosphat-Glas, ein Fluor-Phosphat-Glas, ein Fluor-Kronglas, ein Lanthanglas, eine daraus gebildete Glaskeramik, eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik oder eine hoch yttriumhaltige Glaskeramik verwendet.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist das Basismaterial zusätzlich mit einem Material dotiert, das eine stärkere Absorption bei der Anregungswellenlänge unterstützt. Hierbei ist insbesondere eine Dotierung mit Bismut oder einem Buntmetall, wie etwa Mn, Ni, CO oder Chrom bevorzugt.

Da seltene Erden ein sehr schwaches Absorptionsband haben, kann auf diese Weise bei einer Dotierung mit einem Metall mit einem d-Orbital eine deutlich verbreiterte Absorption im UV-Bereich erzielt werden.

Die zusätzliche Dotierung an Bismut oder Buntmetallen kann hierbei etwa 3 bis 100 ppm betragen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Basismaterial ein Lanthan-Phosphat-Glas, das 30 bis 90 Gew.-% P₂O₅, vorzugsweise 50 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 bis 75 Gew.-% P₂O₅, sowie Läutermittel in üblichen Mengen enthält.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Basismaterial ein Lanthan-Phosphat-Glas verwendet, das 1 bis 30 Gew.-% La₂O₃, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 8 bis 17 Gew.-% La₂O₃ enthält.

Ferner kann das Basismaterial gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung 1 bis 20 Gew.-% Al₂O₃, beispielsweise 5 bis 15 Gew.-% Al₂O₃ enthalten.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält das Basismaterial 1 bis 20 Gew.-% an R₂O, wobei R mindestens ein aus der Gruppe der Alkalimetalle ausgewähltes Element ist.

In zusätzlicher Weiterbildung dieser Ausführung enthält das Basismaterial 1 bis 20 Gew.-% K₂O, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% K₂O.

Bei dem Basismaterial kann es sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung um ein Fluor-Phosphat-Glas mit 5 bis 40 Gew.-% P₂O₅ und einem Fluoridgehalt von 60 bis 95 Gew.-% handeln.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Basismaterial ein optisches Glas, das 0,5 bis 2 Gew.-% La₂O₃, 10 bis 20 Gew.-% B₂O₃, 5 bis 25 Gew.-% SiO₂, 10 bis 30 Gew.-% SrO, 2 bis 10 Gew.-% CaO, 10 bis 20 Gew.-% BaO, 0,5 bis 3 Gew.-% Li₂O, 1 bis 5 Gew.-% MgO und 20 bis 50 % Gew.-% F und Läutermittel in üblichen Mengen enthält.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Basismaterial ein optisches Glas, das 30 bis 60 Gew.-% La₂O₃, 30 bis 50 Gew.-% B₂O₃, 1 bis 5 Gew.-% SiO₂, 1 bis 15 Gew.-% ZnO, 2 bis 10 Gew.-% CaO sowie Läutermittel in üblichen Mengen enthält.

Mit derartigen Zusammensetzungen des Lichtkonversionsmediums lassen sich hochstabile Lichtkonversionsmedien erreichen, deren Brechungsindex je nach der gewählten Zusammensetzung im gewünschten Bereich in Abhängigkeit vom Brechungsindex des Halbleiteremitters liegt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Außenoberfläche des Koppelmediums eine Strukturierung mit Elementen in einer Größe zwischen 50 nm und 2000 nm auf.

Hierzu sind vorzugsweise an der Außenoberfläche des Koppelmediums diffraktive optische Elemente vorgesehen.

Auf diese Weise werden die Reflektionsverluste beim Übergang vom Koppelmedium in das umgebende Medium minimiert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Halbleiterlichtquelle ein Basismaterial aus Glas oder Glaskeramik auf, mit mindestens den Bestandteilen SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht an Y₂O₃ und dem Gesamtgewicht von SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃ mindestens 0,2, vorzugsweise mindestens 0,3, besonders bevorzugt mindestens 0,4 beträgt.

Hierbei beträgt das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht an SiO₂ und dem Gesamtgewicht von SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃ vorzugsweise höchstens 0,5.

Hierbei beträgt das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht an Al₂O₃ und dem Gesamtgewicht von SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃ vorzugsweise höchstens 0,6, vorzugsweise höchstens 0,55.

Mit derartigen Zusammensetzungen lassen sich bei geeigneter Wärmebehandlung Kristallphasen ausscheiden, die als Wirtsphasen zur Aufnahme von seltenen Erden dienen.

Eine mögliche Zusammensetzung für das Basismaterial ist hierbei (in Gew.-% auf Oxidbasis):

SiO₂	10–40
Al₂O₃	10–40
Y₂O₃	20–70
B₂O₃	0–15
seltene Erden	0,5–15.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiterlichtquelle.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Halbleiterlichtquelle schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die Halbleiterlichtquelle 10 weist einen Halbleiteremitter (Chip) 12 auf, der am Boden eines Gehäuses 16 gehalten ist. Der Halbleiteremitter 12 ist von einem Lichtkonversionsmedium 18 umgeben, bei dem es sich um ein lumineszierendes Glas oder eine lumineszierende Glaskeramik handelt. Hierzu ist am Lichtkonversionsmedium 18 eine der Form des Halbleiteremitters 12 entsprechende Ausnehmung vorgesehen, so dass das Lichtkonversionsmedium auf den Halbleiteremitter 12 aufgesetzt werden kann. Alternativ könnte der Halbleiteremitter 12 an seinen beiden Seiten unmittelbar vom Gehäuse umschlossen sein, so dass das Lichtkonversionsmedium lediglich als dünnes Plättchen auf die Oberfläche des Halbleiteremitters aufgesetzt wird. In jedem Falle ist vorzugsweise die Innenseite des Gehäuses 16 reflektierend ausgebildet, um den Lichtaustritt zu verbessern. Oberhalb des Lichtkonversionsmediums 18 befindet sich ein Koppelmedium 20, das als Lichtführungskörper ausgebildet ist und beispielsweise an seiner Oberseite als konvexe Linse ausgebildet sein kann.
Erfindungsgemäß sind nun die Brechungsindizes des Lichtkonversionsmediums 18 und des Koppelmediums 20 an den Brechungsindex des Halbleiteremitters 12 angepasst. Hierzu hat das Lichtkonversionsmedium 18 einen Brechungsindex n_CS, der in Abhängigkeit vom Brechungsindex n_HL des Halbleiteremitters bevorzugt nach der Formel ausgewählt ist:
Ferner weist das Koppelmedium vorzugsweise einen Brechungsindex n₀₀ auf, der ausgewählt ist nach der Formel
Es wurde festgestellt, dass durch eine derartige Abstimmung der Brechungsindizes für das Lichtkonversionsmedium und das Koppelmedium in Abhängigkeit vom Brechungsindex des Substrates des Halbleiteremitters die Reflektionsverluste minimiert werden können.
Als Beispiel für Brechungsindizes für Halbleitermaterialien (bei 632 nm) sind zu nennen:
n = 3,35 für GaP
n = 2,20 (o) und 2,29 (e) für GaN
n = 2,13 (o) und 2,20 (e) für AlN
n = 2,09 für InN.
Dabei ist (o) der ordentliche und (e) der außerordentliche Strahl bei nichtkubischen, doppelbrechenden Kristallphasen. Bei kürzeren Wellenlängen (z.B. 460 nm oder 410 nm), wie sie bei Halbleiterleuchtdioden verwendet werden, ist der Brechungsindex noch größer.
Als ein Beispiel für ein Substratmaterial, auf dem die Halbleitermaterialien der Halbleiteremitter abgeschieden sind, ist Korund (Al₂O₃) mit einem Brechungsindex von 1,76 zu nennen.
Wird beispielsweise als Halbleiteremitter GaN verwendet, so kann das Lichtkonversionsmedium für eine Minimierung der Reflektionsverluste einen Brechungsindex aufweisen, der zwischen etwa 1,6 und 1,9 liegt. Dabei wird gleichzeitig für das Koppelmedium ein Brechungsindex verwendet, der zwischen etwa 1,15 und 1,4 liegt.
Besteht dagegen der Halbleiteremitter etwa aus GaP, so wird vorzugsweise ein Lichtkonversionsmedium verwendet, dessen Brechungsindex etwa im Bereich zwischen 1,85 und 2,2 liegt, während für das Koppelmedium ein Brechungsindex verwendet wird, der zwischen etwa 1,35 und 1,5 liegt.
Wird dagegen als Halbleiteremitter InP verwendet, so wird ein Lichtkonversionsmedium verwendet, dessen Brechungsindex größer als etwa 2,1 ist und kleiner als etwa 2,4 ist. Für das Koppelmedium wird in diesem Fall ein Material verwendet, dessen Brechungsindex zwischen etwa 1,4 und 1,6 liegt.
Das Lichtkonversionsmedium 18 ist ein Werkstoff aus Glas oder Glaskeramik mit einer Volumendotierung mit einem Seltenerd metall, insbesondere Ce, Eu, Tb, Tm oder Sm, die fluoreszierend oder lumineszierend ist. Dies ist besonders geeignet, um Licht, das von blauen oder im UV-Bereich emittierenden LEDs emittiert wird, in weißes Licht umzusetzen.
Hierbei ist ferner vorzugsweise der thermische Ausdehnungskoeffizient des Lichtkonversionsmediums an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiteremitters angepasst und liegt vorzugsweise bei mindestens 2,5·10^–6/K. Ferner kann auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Koppelmediums in gleicher Weise an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des damit verbundenen Lichtkonversionsmediums angepasst sein und beträgt vorzugsweise mindestens 2,5·10^–6/K.
Zusätzlich zu der Dotierung mit seltenen Erden ist vorzugsweise noch eine ergänzende Dotierung, beispielsweise mit Mn, Ni, Co, Cr und/oder Bi, vorgesehen, um eine stärkere Absorption bei der Anregungswellenlänge zu erzielen.
Das Koppelmedium 20 kann zwecks einer besonders einfachen Herstellung auch aus einem Polymer bestehen, da sich mit einem Polymer die gewünschte Anpassung des Brechungsindex an den Brechungsindex des Halbleiteremitters ohne weiteres erreichen lässt. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Auch wenn das Koppelmedium aus einem Glas oder einer Glaskeramik hergestellt wird, so wird hierbei vorzugsweise ein niedrig schmelzendes Material verwendet, um ein direktes Pressen des Koppelmediums in die gewünschte Form zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist die Außenoberfläche des Koppelmediums 20 zusätzlich noch mit diffraktiven optischen Elementen, etwa in der Form von Mikrolinsen, versehen, die einen Durchmesser zwischen 50 nm und 2000 nm aufweisen, um so eine effektive Lichtauskopplung zu unterstützen.
Beispiel 1
Die Zusammensetzungen verschiedener Lanthan-Phosphat-Gläser, die mit Cr₂O₃ einzeln dotiert werden oder mit seltenen Erd-Ionen mehrfach dotiert werden, sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tab. 1
Beispiel 2
Es werden Fluor-Phosphat-Gläser verwendet, die einen P₂O₅-Gehalt von 5 bis 40 Gew.-%, und einen Fluoridgehalt von 60 bis 96 Gew.-% aufweisen. Die Gläser weisen eine Dotierung mit seltenen Erden zwischen etwa 0,5 und 15 Gew.-% auf.
Beispiel 3
Es wird eine Lithium-Aluminium-Glaskeramik (LAS-Glaskeramik) mit seltenen Erden dotiert. Hierbei kann insbesondere eine der von Schott unter den Marke Ceran^®, CLEARTRANS^® oder ROBAX^® vertriebene LRS-Glaskeramik verwendet werden.
Beispiel 4
Es wird ein Glas mit hohem Lathangehalt erschmolzen, das einen Brechungsindex von mehr als 1,7 aufweist. Das Glas weist folgende Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) auf:

SiO₂ 4,3

B₂O₃ 34,3

Al₂O₃ 0,4

ZrO₂ 5,4

La₂O₃ 41,0

CaO 1,6

ZnO 6,0

CdO 6,4

Li₂O 0,3

As₂O₃ 0,3.
Dabei kann das Lathanoxid teilweise durch Oxide der seltenen Erden ersetzt werden.
Beispiel 5
Es wird ein Glas mit folgenden Bestandteilen (in Gew.-% auf Oxidbasis) erschmolzen:

SiO₂ 23,64

B₂O₃ 6,36

Al₂O₃ 20,91

Y₂O₃ 46,36

Eu₂O₃ 2,73.
Dieses Glas wird in einem Platin-Tiegel bei einer Temperatur von etwa 1550 bis 1600 °C erschmolzen und homogenisiert. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wird ein klares, durchsichtiges Glas erhalten.
Dieses Glas leuchtet hellorange sowohl im glasigen als auch im keramisierten Zustand, sofern es mit UV-Licht (λ = 240 bis 400 nm) angeregt wird.
Durch eine geeignete Temperaturbehandlung kann das Glas keramisiert werden, wobei sich Kristallphasen ausscheiden lassen, die als Wirtsphasen zur Aufnahme von Seltenerd-Ionen dienen.
Dieses Material ist gleichermaßen als Lichtkonversionsmedium besonders geeignet.

Claims

Halbleiterlichtquelle mit einem Halbleiteremitter (12), der zur Emission von Lichtenergie ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer LED, mit einem lumineszierenden Lichtkonversionsmedium (18) aus Glas oder Glaskeramik zur Umsetzung emittierter Lichtenergie in Lichtenergie mit einem anderen Frequenzspektrum, und mit einem Koppelmedium (20) zum Auskoppeln der Lichtenergie in ein umgebendes Medium, wie etwa Luft, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtkonversionsmedium (18) einen Brechungsindex n_CS hat, der in Abhängigkeit vom Brechungsindex n_HL des Halbleiteremitters (12) ausgewählt ist im Bereich von 0,7·(n_HL ²)^1/3 bis 1,3·(n_HL ²)^1/3, vorzugsweise im Bereich von 0,8(n_HL ²)^1/3 bis 1,2·(n_HL ²)^1/3, besonders bevorzugt im Bereich von 0,9·(n_HL ²)^1/3 bis 1,1·(n_HL ²)^1/3.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmedium (20) ein Glas, eine Glaskeramik oder ein Kunststoff ist.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmedium (20) einen Brechungsindex n_oo hat, der in Abhängigkeit vom Brechungsindex n_HL des Halbleiteremitters (12) ausgewählt ist im Bereich von 0,7·(n_HL)^1/3 bis 1,3·(n_HL)^1/3, vorzugsweise im Bereich von 0,8·(n_HL)^1/3 bis 1,2(n_HL)^1/3, besonders bevorzugt im Bereich von 0,9·(n_HL)^1/3 bis 1,1·(n_HL)^1/3.
Halbleiterlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtkonversionsmedium (18) für eine Umsetzung von Lichtenergie im blauen oder UV-Bereich in weißes Licht ausgebildet ist.
Halbleiterlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Lichtkonversionsmedium (18) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiteremitters (12) angepasst ist.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Lichtkonversionsmediums (18) mindestens 2,5·10^–6/K, vorzugsweise mindestens 2,9·10^–6/K und vorzugsweise höchstens 6·10^–6/K, beträgt.
Halbleiterlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Koppelmediums (20) mindestens 2,5·10^–6/K, vorzugsweise höchstens 6·10^–6/K, beträgt.
Halbleiterlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtkonversionsmedium (18) ein optisch transparentes Basismaterial mit einer Dotierung mit zumindest einem Seltenerdmetall insbesondere Ce, Eu, Tb, Tm oder Sm enthält, die fluoreszierend oder lumineszierend ist.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial ein Lanthan-Phosphat- Glas, ein Fluor-Phosphat-Glas, ein Fluor-Kronglas, ein Lanthanglas, eine daraus gebildete Glaskeramik, eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik oder eine hoch yttriumhaltige Glaskeramik ist.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial zusätzlich mit einem Material dotiert ist, das eine stärkere Absorption bei der Anregungswellenlänge unterstützt, insbesondere mit Bi oder einem Buntmetall, wie etwa Mn, Ni, Co, Cr dotiert ist.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Dotierung 3 bis 100 ppm an Bismut oder Buntmetallen beträgt.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial ein Lanthan-Phosphat-Glas ist, das 30 bis 90 Gew.-% P₂O₅, vorzugsweise 50 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 bis 75 Gew.-% P₂O₅, sowie Läutermittel in üblichen Mengen enthält.
Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial ein Lanthan-Phosphat-Glas ist, das 1 bis 30 Gew.-% La₂O₃, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 8 bis 17 Gew.-% La₂O₃ enthält.
Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem das Basismaterial 1 bis 20 Gew.-% Al₂O₃, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% Al₂O₃ enthält.
Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem das Basismaterial 1 bis 20 Gew.-% an R₂O enthält, wobei R mindestens ein aus der Gruppe der Alkalimetalle ausgewähltes Element ist.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial 1 bis 20 Gew.-% K₂O, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% K₂O enthält.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial ein Fluor-Phosphat-Glas mit 5 bis 40 Gew.-% P₂O₅ und einem Fluoridgehalt von 60 bis 95 Gew.-% ist.
Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial ein optisches Glas ist, das 0,5 bis 2 Gew.-% La₂O₃, 10 bis 20 Gew.-% B₂O₃, 5 bis 25 Gew.-% SiO₂, 10 bis 30 Gew.-% SrO, 2 bis 10 Gew.-% CaO, 10 bis 20 Gew.-% BaO, 0,5 bis 3 Gew.-% Li₂O, 1 bis 5 Gew.-% MgO und 20 bis 50 % Gew.-% F und Läutermittel in üblichen Mengen enthält.
Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial ein optisches Glas ist, das 30 bis 60 Gew.-% La₂O₃, 30 bis 50 Gew.-% B₂O₃, 1 bis 5 Gew.-% SiO₂, 1 bis 15 Gew.-% ZnO, 2 bis 10 Gew.-% CaO sowie Läutermittel in üblichen Mengen enthält.
Halbleiterlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenoberfläche des Koppelmediums (20) eine Strukturierung mit Elementen einer Größe zwischen 50 nm und 2000 nm aufweist.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenoberfläche des Koppelmediums (20) diffraktive optische Elemente vorgesehen sind.
Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 10, 11, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial aus Glas oder Glaskeramik mit mindestens den Bestandteilen SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃, besteht, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht an Y₂O₃ und dem Gesamtgewicht von SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃ mindestens 0,2, vorzugsweise mindestens 0,3, besonders bevorzugt mindestens 0,4 beträgt.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Basismaterial das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht an SiO₂ und dem Gesamtgewicht von SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃ höchstens 0,5 beträgt.
Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 22 oder 23, wobei bei dem Basismaterial das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht an Al₂O₃ und dem Gesamtgewicht von SiO₂, Al₂O₃ und Y₂O₃ höchstens 0,6, vorzugsweise höchstens 0,55 beträgt.
Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Basismaterial folgende Bestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthalten sind: SiO₂ 10–40 Al₂O₃ 10–40 Y₂O₃ 20–70 B₂O₃ 0–15 seltene Erden 0,5–15.