DE102007003785A1 - Emitter-converter-chip - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, dessen Oberfläche strukturiert ist und Hohlzylinder mit paralleler Längsachse besitzt, wobei die Oberfläche mit einem oder mehreren Konversionsleuchtstoffen beschichtet ist, ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelementes sowie die Verwendung des lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes zur Konversion der Primärstrahlung des Halbleiterbauelementes in längerwellige monochromatische oder multichromatische Strahlung, vorzugsweise zur Konversion der blauen Emission in sichtbare weiße Strahlung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, dessen Oberfläche strukturiert ist und Hohlzylinder mit paralleler Längsachse besitzt, wobei die Oberfläche mit einem oder mehreren Konversionsleuchtstoffen beschichtet ist, ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelementes sowie die Verwendung des lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes zur Konversion der Primärstrahlung des Halbleiterbauelementes in längerwellige monochromatische oder multichromatische Strahlung, vorzugsweise zur Konversion der blauen Emission in sichtbare weiße Strahlung.
  • Seit Mitte der 90'er Jahre existieren Konzepte, weißes Licht für u. a. Allgemeinbeleuchtung, Automobile, Signale, Hintergrundbeleuchtung von LCD, etc. mit Hilfe von Leuchtdioden zu realisieren. Bereits ab 2010 sollen weiße LEDs Glühfadenlampen (Glühbirne, Halogenbirne) und Hg-Plasma-Fluoreszenzlampen etc. in großem Ausmaße substituieren. Es wird geschätzt, dass weiße LEDs ohne Ansteuerung und Integration in Beleuchtungsgehäuse (d. h. Einbau in Scheinwerfer, Lampen etc) in 2020 50% des Gesamtleuchtmittelmarktes (in 2007 ca. 27 Mrd. EUR weltweit) ausmachen, d. h. das dominierende Beleuchtungsmittel darstellen werden. Hierfür müssen allerdings mehrere Voraussetzungen in naher Zukunft erfüllt werden:
    Die derzeit kommerziell erhältlichen, besten Höchstleistungs-weißen LEDs erreichen Lumeneffizienzen von ca. 40 lm/W. damit sind diese bereits heute bedeutend effizienter als Glühbirnen, effizienter als Halogenlampen, aber (noch) nicht so effizient wie Leuchtstoffröhren, welche eine Lumeneffizienz bis zu 100 lm/W erreichen können, was gleichzeitig das Limit dieser Technologie darstellt.
  • Theoretisch könnten LEDs bis zu 300 lm/W erreichen, d. h. dreifach effizienter als Leuchtstoffröhren sein. Allerdings sind die Herausforderungen hierfür immens.
    • 1) Der blau elektrolumineszierende Emitterchip aus InGaN/GaN ist bezüglich der intrinsischen Quantenausbeute praktisch ausgereizt (lediglich die Produktionskosten sind immens), aber eine Erhöhung der Lichtauskopplung aus dem Chip ist noch möglich, indem die Totalreflektion, welche ein Teil das im Innern des Chips entstehenden Elektrolumineszenzlichtes erleidet, unterbunden wird.
    • 2) Der Leuchtstoff (heutzutage Grobkörner aus dotiertem YAG, TAG (Terbium-Granat) oder dotierten Silikaten ist der Hauptverursacher der geringen Lumeneffizienz und der schlechten Farbwiedergabe des weißen Lichtes: Zum Einen verfügt er über nicht optimale Fluoreszenzcharakteristika; für ein angenehmes Weißlicht fehlt der erforderliche Rotanteil im Emissionsspektrum. Außerdem wird ein viel zu geringer Anteil des Elektrolumineszenzlichtes vom Leuchtstoff absorbiert und von diesem in Licht größerer Wellenlänge konvertiert. Dies rührt daher, dass die optische Ankopplung des Leuchtstoffes an den Chip ungenügend ist. Ein großer Anteil des blauen Lichtes wird nicht vom hochbrechenden Leuchtstoff absorbiert, sondern an dessen Oberfläche gestreut. Bei Rückstreuung zum Chip hin, reabsorbiert er sein vormals emittiertes Blaulicht, da die Stokesverschiebung (energetischer Abstand zwischen Absorption und Emission) von Halbleitern extrem klein ist, d. h. Verschiebung → 0.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die ungünstige Streuung durch den Leuchtstoff weitgehend zu minimieren, ohne neuartige Leuchtstoffmorphologien oder z. B. Keramik-Formkörper einzusetzen. Es soll somit erfindungsgemäß weiterhin die Möglichkeit bestehen, Leuchtstoffpulver (allerdings als sub-μm Feinkorn) zu verwenden.
  • Streuphänomene sind insbesondere dann vernachlässigbar, wenn die Lichtquelle (z. B der InGaN/GaN-Chip) von einer Oberfläche möglichst wenig entfernt ist. Dann treten auch Nahfeldphänomene auf, welche eine Lichteinkoppelung von der Primärlichtquelle in ein direkt auf der Lichtquelle vorhandenes Material begünstigen. Dies ist der Fall, sobald die Entfernung zwischen dem Ort der Lichtentstehung und dem Material viel kleiner ist als die einzukoppelnde Wellenlänge. Auf die LED übertragen bedeutet dies, dass sich der Leuchtstoff direkt auf der Schicht befinden sollte, in welcher die Ladungsträgerrekombination und dadurch Entstehung der Photonen stattfindet. Im Falle von Leuchtstoffpulvern ist dies aber nicht möglich, weil in Abhängigkeit der meist unregelmäßigen, annähernd sphärischen Form der Leuchtstoffpartikel nur ein sehr kleiner Anteil direkt auf der Chipoberfläche aufliegen kann, welche aber in einen Abstand von der lichtaussendenden Schicht ist, der vergleichbar oder größer der Wellenlänge des emittierten Lichtes ist.
  • Stattdessen wäre es vorteilhaft, feine Leuchtstoffpulver direkt in den Chip zu in integrieren, und zwar möglichst nahe dem aktiven Bereich, in dem die Strahlung entsteht.
  • Überraschenderweise kann die vorliegende Aufgabe dadurch gelöst werden, in dem man mittels einem kostengünstigen, d. h. über eine hohe Raumzeitausbeute verfügenden Verfahren, Hohlzylinder in die Oberfläche des InGaN/GaN-Chips ätzt.
  • In der Veröffentlichung Park et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 87, 203508 wird ein derartiges Verfahren zur Strukturierung von Chips beschrieben. Die Autoren verwenden diese Strukturierung zur Erhöhung der Lichtauskopplung aus dem Chip durch Beugungseffekte.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1), der im Betrieb des Halbleiterbauelements elektromagnetische Strahlung aussendet, mit mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten elektrischen Anschluss (2, 3), die mit dem Halbleiterkörper (1) elektrisch leitend verbunden sind, wobei der Halbleiterkörper (1) eine Halbleiterschichtenfolge aufweist, die geeignet ist, im Betrieb des Halbleiterbauelementes elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches aus dem UV, blauen und/oder grünen Spektralbereich auszusenden, und der Halbleiterkörper (1) eine strukturierte Oberfläche (4) enthaltend Hohlzylinder mit paralleler Längsachse besitzt, gekennzeichnet dadurch, dass die strukturierte Oberfläche mit einem oder mehreren Lumineszenzkonversionsmaterialien beschichtet ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8. Der Unteranspruch 9 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und die Unteransprüche 10 und 11 geben bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes an.
  • Es ist vorgesehen, dass der Halbleiterkörper (1) eine Schichtenfolge (siehe 1, wobei die Schichtenfolge dort nur unvollständig wiedergegeben ist), insbesondere eine Schichtenfolge mit einer aktiven Halbleiterschicht aus GaxIn1-xN oder GaxAl1-xN aufweist, die im Betrieb des Halbleiterbauelements eine elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches aus dem ultravioletten, blauen und/oder grünen Spektralbereich aussendet. Der Aufbau einer herkömmlichen, typischen Halbleiterschichtenfolge ist z. B. aus DE 19638667 (siehe 9) zu entnehmen.
  • Die Lumineszenzkonversionsmaterialien auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) wandeln mindestens einen Teil der aus dem ersten Wellenlängenbereich stammenden Strahlung in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um, derart, dass das Halbleiterbauelement Mischstrahlung, insbesondere mischfarbiges Licht, bestehend aus Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches oder ausschließlich des zweiten Wellenlängenbereiches aussendet.
  • Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, dass der oder die zweiten Wellenlängenbereiche im wesentlichen größere Wellenlängen aufweisen als der erste Wellenlängenbereich. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein zweiter Teilbereich des ersten Wellenlängenbereich und ein zweiter Wellenlängenbereich zueinander komplementär sind. Auf diese Weise kann aus einer einzigen farbigen Lichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode mit einem einzigen blaues Licht abstrahlenden Halbleiterkörper, mischfarbiges, insbesondere weißes Licht erzeugt werden. Die Farbtemperatur des weißen Lichtes kann dabei durch geeignete Wahl des Lumineszenzkonversionsmaterials, insbesondere durch eine geeignete Wahl des Leuchtstoffes oder Leuchtstoffgemisches, dessen Partikelgröße und dessen Konzentration, variiert werden.
  • Neben der bevorzugten Verwendung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes zur Konversion der blauen oder im nahen UV-liegenden Emission in sichtbare weiße Strahlung ist es weiterhin bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement Primärstrahlung in einen bestimmten Farbpunkt nach dem Color-on-demand-Konzept konvertiert.
  • Unter dem Color-on-demand Konzept versteht man die Realisierung von Licht eines bestimmten Farbpunktes mit einer pcLED unter Einsatz eines oder mehrer Leuchtstoffe. Dieses Konzept wird z. B. verwendet, um bestimmte Corporate Designs z. B. für beleuchtete Firmenlogos, Marken etc. zu erzeugen.
  • Die Hohlzylinder auf der strukturierten Oberfläche (4) können erfindungsgemäß einen Durchmesser von 150 nm bis 10 μm aufweisen, die Tiefe der Löcher kann ebenfalls durch Prozessparameter eingestellt werden und beträgt von 20 nm bis 3 μm, vorzugsweise von 200 nm bis 1,5 μm (siehe 1 und 3). Wichtig dabei ist, dass die Hohlzylinder eine Tiefe aufweisen, so dass sich der Boden der Hohlzylinder in unmittelbarer Nähe der lichtemittierenden Schicht befindet.
  • In die Hohlzylinder werden bevorzugt sub-μm große Leuchtstoffpulver eingebracht. Dies kann mittels mehrerer Verfahren durchgeführt werden:
    • • Leuchtstoffpulver wird auf die Oberfläche (4) aufgestreut und danach überschüssiges Pulver mit einer Gummilippe abgerieben. Hierbei bleibt ausschließlich das Pulver zurück, welches sich in den Vertiefungen der Hohlzylinder befindet (siehe 2, Variante E)
    • • Leuchtstoffe werden in ein (leichtflüchtiges) Dispergiermittel eingebracht. Die Dispersion wird auf die Oberfläche (4) mit einem Mikrodispenser aufgetropft. Wegen ihrer kapillaren Eigenschaften saugen sich die Hohlzylinder im Halbleiterkörper (1) mit der Dispersion voll. Die überschüssige Dispersion wird durch Abstreifen mit einer nichtbenetzenden Lippe entfernt, wobei lediglich die Dispersion in den Hohlzylindern zurückbleibt. Nun wird im Falle eines leichtflüchtigen Dispersionsmittels diese durch Erhitzen entfernt. Als Resultat bleiben Leuchtstoffpartikel in den Hohlzylindern zurück. Andererseits können auch übliche, heutzutage für das LED-packaging verwendete, polymerisierbare Dispergiermittel, wie Silikon- oder Epoxid-Derivate verwendet werden. Nach dem Abwischen überschüssiger Dispersion wird die in den Hohlzylindern vorhandene Dispersion polymerisiert, wodurch der Leuchtstoff in die Hohlzylinder eingeklebt wird.
    • • Leuchtststoff-Vorstufen werden in ein (leichtflüchtiges) Dispergiermittel eingebracht. Die Dispersion wird auf die Oberfläche (4) mit einem Mikrodispenser aufgetropft. Wegen ihrer kapillaren Eigenschaften saugen sich die Hohlzylinder im Halbleiterkörper (1) mit der Dispersion voll. Die überschüssige Dispersion wird durch Abstreifen mit einer nichtbenetzenden Lippe entfernt, wobei lediglich die Dispersion in den Hohlzylindern zurückbleibt. Nun wird im Falle eines leichtflüchtigen Dispersionsmittels diese durch Erhitzen entfernt. Als Resultat wandeln sich die Leuchtstoff-Vorstufen in Leuchtstoffe um, die in den Hohlzylindern zurück bleiben.
  • Insbesondere dann, wenn es sich bei dem Halbleiterbauelement um eine Primärlichtquelle handelt, die einen sehr hohen Lichtstrom erzeugt, ist es vorteilhaft, wenn neben den Hohlzylindern auch die äußere Oberfläche des Halbleiterbauelementes mit Leuchtstoff beschichtet ist. Hierzu eignen sich die nachfolgenden Verfahren:
    • • Leuchtstoffpulver wird auf die Oberfläche (4) aufgestreut. Hierbei werden die Hohlzylinder gefüllt und die äußere Oberfläche des Halbleiterbauelementes wird ebenfalls mit Leuchtstoff beschichtet. (siehe 2, Variante F)
    • • Leuchtstoffe werden in ein (leichtflüchtiges) Dispergiermittel eingebracht. Die Dispersion wird auf die Oberfläche (4) mit einem Mikrodispenser aufgetropft. Wegen ihrer kapillaren Eigenschaften saugen sich die Hohlzylinder im Halbleiterkörper (1) mit der Dispersion voll und die äußere Oberfläche wird mit der Dispersion beschichtet. Nun wird im Falle eines leichtflüchtigen Dispersionsmittels diese durch Erhitzen entfernt. Als Resultat bleiben Leuchtstoffpartikel in den Hohlzylindern und auf der Oberfläche des Halbleiterbauelementes zurück. Andererseits können auch übliche, heutzutage für das LED-packaging verwendete, polymerisierbare Dispergiermittel, wie Silikon- oder Epoxid-Derivate verwendet werden.
    • • Leuchtstoff-Vorstufen werden in ein (leichtflüchtiges) Dispergiermittel eingebracht. Die Dispersion wird auf die Oberfläche (4) mit einem Mikrodispenser aufgetropft. Wegen ihrer kapillaren Eigenschaften saugen sich die Hohlzylinder im Halbleiterkörper (1) mit der Dispersion voll und die äußere Oberfläche des Halbleiterbauelemetes wird beschichtet. Nun wird im Falle eines leichtflüchtigen Dispersionsmittels diese durch Erhitzen entfernt. Als Resultat wandeln sich die Leuchtstoff-Vorstufen in Leuchtstoffe um, die in den Hohlzylindern zurück bleiben und Leuchtstoffe, die sich auf der äußeren Oberfläche des Halbleiterbauelementes befinden.
  • Danach erfolgt eine Verkapselung des erfindungsgemäßen Aufbaus mit transparentem Material.
  • Vor oder nach der Verkapselung können in einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weitere Konversionsmaterialien auf das Halbleiterbauelement aufgebracht werden. Als Konversionsmaterialien werden hier Mischungen aus mindestens einem oder mehreren Leuchtstoffen eventuell in einem Harz und oder Binder verstanden. In einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform findet danach eine weitere Verkapselung mit einem transparenten Material und oder einem als Sekundäroptik wirkendem Bauteil statt.
  • Die Anordnung der Hohlzylinder auf der strukturierten Oberfläche (4) kann je nach Anwendung entweder photonisch kristallin oder photonisch quasikristallin sein (siehe 4). In der photonisch quasikristallinen Anordnung sind die Hohlzylinder in einer periodischen, in Wahrheit aber aperiodischen Struktur angeordnet (quasiperiodische Struktur). Dem Fachmann sind die Unterschiede beider Strukturen bekannt (siehe z. B. Appl. Phys. Lett. 78, Nr. 5, 2001, Pg 563). Die Vorteile der quasiperiodischen Struktur gegenüber der photonisch kristallinen Struktur bestehen darin, dass stärker ausgeprägte photonische Eigenschaften beobachtbar sind. Im Falle des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes wirkt sich dies dadurch aus, dass die Intensität der Primärstrahlung in Richtung der Längsachse der Hohlzylinder besonders hoch ist.
  • Als Material für die erfindungsgemäßen Leuchtstoffe können insbesondere folgende Verbindungen gewählt werden, wobei in der folgenden Notation links vom Doppelpunkt das Wirtsgitter und rechts vom Doppelpunkt ein oder mehrere Dotierelemente aufgeführt sind. Wenn chemische Elemente durch Kommata voneinander getrennt und eingeklammert sind, können sie wahlweise verwendet werden. Je nach gewünschter Lumineszenz eigenschaft der Leuchtstoffe können eine oder auch mehrere der zur Auswahl gestellten Verbindungen herangezogen werden:
    BaAl2O4:Eu2+, BaAl2S4:Eu2+, BaB8O1-3:Eu2+, BaF2, BaFBr:Eu2+, BaFCl:Eu2+, BaFCl:Eu2+, Pb2+, BaGa2S4:Ce3+, BaGa2S4:Eu2+, Ba2Li2Si2O7:Eu2+, Ba2Li2Si2O7:Sn2+, Ba2Li2Si2O7:Sn2+, Mn2+, BaMgAl,0O17:Ce3+, BaMgAl10O17:Eu2+, BaMgAl10O17:Eu2+, Mn2+, Ba2Mg3F10:Eu2+, BaMg3F8:Eu2+, Mn2+, Ba2MgSi2O7:Eu2+, BaMg2Si2O7:Eu2+, Ba5(PO4)3Cl:Eu2+, Ba5(PO4)3Cl:U, Ba3(PO4)2:Eu2+, BaS:Au,K, BaSO4:Ce3+, BaSO4:Eu2+, Ba2SiO4:Ce3+, Li+, Mn2+, Ba5SiO4Cl6:Eu2+, BaSi2O5:Eu2+, Ba2SiO4:Eu2+, BaSi2O5:Pb2+, BaxSri1-xF2:Eu2+, BaSrMgSi2O7:Eu2+, BaTiP2O7, (Ba,Ti)2P2O7:Ti, Ba3WO6:U, BaY2F8Er3+, Yb+, Be2SiO4:Mn2+, Bi4Ge3O12, CaAl2O4:Ce3+, CaLa4O7:Ce3+, CaAl2O4:Eu2+, CaAl2O4:Mn2+, CaAl4O7:Pb2+, Mn2+, CaAl2O4:Tb3+, Ca3Al2Si3O12:Ce3+, Ca3Al2Si3Oi2:Ce3+, Ca3Al2Si3O,2:Eu2+, Ca2B5O9Br:Eu2+, Ca2B5O9Cl:Eu2+, Ca2B5O9Cl:Pb2+, CaB2O4:Mn2+, Ca2B2O5:Mn2+, CaB2O4:Pb2+, CaB2P2O9:Eu2+, Ca5B2SiO10:Eu3+, Ca0.5Ba0.5Al12O19:Ce3+, Mn2+, Ca2Ba3(PO4)3Cl:Eu2+, CaBr2:Eu2+ in SiO2, CaCl2:Eu2+ in SiO2, CaCl2:Eu2+, Mn2+ in SiO2, CaF2:Ce3+, CaF2:Ce3+,Mn2+, CaF2:Ce3+,Tb3+, CaF2:Eu2+, CaF2:Mn2+, CaF2:U, CaGa2O4:Mn2+, CaGa4O7:Mn2+, CaGa2S4:Ce3+, CaGa2S4:Eu2+, CaGa2S4:Mn2+, CaGa2S4:Pb2+, CaGeO3:Mn2+, CaI2:Eu2+ in SiO2, CaI2:Eu2+,Mn2+ in SiO2, CaLaBO4:Eu3+, CaLaB3O7:Ce3+,Mn2+, Ca2La2BO6.5:Pb2+, Ca2MgSi2O7, Ca2MgSi2O7:Ce3+, CaMgSi2O6:Eu2+, Ca3MgSi2O8:Eu2+, Ca2MgSi2O7:Eu2+, CaMgSi2O6:Eu2+, Mn2+, Ca2MgSi2O7:Eu2+,Mn2+, CaMoO4, CaMoO4:Eu3+, CaO:Bi3+, CaO:Cd2+, CaO:Cu+, CaO:Eu3+, CaO:Eu3+, Na+, CaO:Mn2+, CaO:Pb2+, CaO:Sb3+, CaO:Sm3+, CaO:Tb3+, CaO:Tl, CaO.Zn2+, Ca2P2O7:Ce3+, α-Ca3(PO4)2:Ce3+, β-Ca3(PO4)2:Ce3+, Ca5(PO4)3Cl:Eu2+, Ca5(PO4)3Cl:Mn2+, Ca5(PO4)3Cl:Sb3+, Ca5(PO4)3Cl:Sn2+, β-Ca3(PO4)2:EU2+, Mn2+, Ca5(PO4)3F:Mn2+, Cas(PO4)3F:Sb3+, Cas(PO4)3F:Sn2+, α-Ca3(PO4)2:EU2+, β-Ca3(PO4)2:Eu2+, Ca2P2O7:Eu2+, Ca2P2O7:Eu2+, Mn2+, CaP2O6:Mn2+, α-Ca3(PO4)2:Pb2+, α-Ca3(PO4)2:Sn2+, β-Ca3(PO4)2:Sn2+, β-Ca2P2O7:Sn, Mn, α-Ca3(PO4)2:Tr, CaS:Bi3+, CaS:Bi3+,Na, CaS:Ce3+, CaS:Eu2+, CaS:Cu+,Na+, CaS:La3+, CaS:Mn2+, CaSO4:Bi, CaSO4:Ce3+, CaSO4:Ce3+,Mn2+, CaSO4:Eu2+, CaSO4:Eu2+,Mn2+, CaSO4:Pb2+, CaS:Pb2+, CaS:Pb2+,Cl, CaS:Pb2+,Mn2+, CaS:Pr3+,Pb2+,Cl, CaS:Sb3+, CaS:Sb3+,Na, CaS:Sm3+, CaS:Sn2+, CaS:Sn2+,F, CaS:Tb3+, CaS:Tb3+,Cl, CaS:Y3+, CaS:Yb2+, CaS:Yb2+,Cl, CaSiO3:Ce3+, Ca3SiO4Cl2:Eu2+, Ca3SiO4Cl2:Pb2+, CaSiO3:Eu2+, CaSiO3:Mn2+,Pb, CaSiO3:Pb2+, CaSiO3:Pb2+,Mn2+, CaSiO3:Ti4+, CaSr2(PO4)2:Bi3+, β-(Ca,Sr)3(PO4)2:Sn2+Mn2+, CaTi0.9Al0.1O3:Bi3+, CaTiO3:Eu3+, CaTiO3:Pr3+, Ca5(VO4)3Cl, CaWO4, CaWO4:Pb2+, CaWO4:W, Ca3WO6:U, CaYAlO4:Eu3+, CaYBO4:Bi3+, CaYBO4:Eu3+, CaYB0.8O3.7:Eu3+, CaY2ZrO6:Eu3+, (Ca,Zn,Mg)3(PO4)2:Sn, CeF3, (Ce,Mg)BaAl11O18:Ce, (Ce,Mg)SrAl11O18:Ce, CeMgAl11O19:Ce:Tb, Cd2B6O11:Mn2+, CdS:Ag+,Cr, CdS:In, CdS:In, CdS:In,Te, CdS:Te, CdWO4, CsF, CsI, CsI:Na+, CsI:Tl, (ErCl3)0.25(BaCl2)0.75, GaN:Zn, Gd3Ga5O12:Cr3+, Gd3Ga5O12:Cr,Ce, GdNbO4:Bi3+, Gd2O2S:Eu3+, Gd2O2Pr3*, Gd2O2S:Pr,Ce,F, Gd2O2S:Tb3+, Gd2SiO5:Ce3+, KAl11O17:Tl+, KGa11O17:Mn2+, K2La2Ti3O10:Eu, KMgF3:Eu2+, KMgF3:Mn2+, K2SiF6:Mn4+, LaAl3B4O12:Eu3+, LaAlB2O6:Eu3+, LaAlO3:Eu3+, LaAlO3:Sm3+, LaAsO4:Eu3+, LaBr3:Ce3+, LaBO3:Eu3+, (La,Ce,Tb)PO4:Ce:Tb, LaCl3:Ce3+, La2O3:Bi3+, LaOBr:Tb3+, LaOBr:Tm3+, LaOCl:Bi3+, LaOCl:Eu3+, LaOF:Eu3+, La2O3:Eu3+, La2O3:Pr3+, La2O2S:Tb3+, LaPO4:Ce3+, LaPO4:Eu3+, LaSiO3Cl:Ce3+, LaSiO3Cl:Ce3+,Tb3+, LaVO4:Eu3+, La2W3O12:Eu3+, LiAlF4:Mn2+, LiAl5O8:Fe3+, LiAlO2:Fe3+, LiAlO2:Mn2+, LiAl5O8:Mn2+, Li2CaP2O7:Ce3+,Mn2+, LiCeBa4Si4O14:Mn2+, LiCeSrBa3Si4O14:Mn2+, LiInO2:Eu3+, LiInO2:Sm3+, LiLaO2:Eu3+, LuAlO3:Ce3+, (Lu,Gd)2SiO5:Ce3+, Lu2SiO5:Ce3+, Lu2Si2O7:Ce3+, LuTaO4:Nb5+, Lu1-xYxAlO3:Ce3+, MgAl2O4:Mn2+, MgSrAl10O17:Ce, MgB2O4:Mn2+, MgBa2(PO4)2:Sn2+, MgBa2(PO4)2:U, MgBaP2O7:Eu2+, MgBaP2O7:Eu2+, Mn2+, MgBa3Si2O8:Eu2+, MgBa(SO4)2:Eu2+, Mg3Ca3(PO4)4:EU2+, MgCaP2O7:Mn2+, Mg2Ca(SO4)3:EU2+, Mg2Ca(SO4)3:Eu2+, Mn2, MgCeAlnO19:Tb3+, Mg4(F)GeO6:Mn2+, Mg4(F)(Ge,Sn)O6:Mn2+, MgF2:Mn2+, MgGa2O4:Mn2+, Mg8Ge2O11F2:Mn4+, MgS:Eu2+, MgSiO3:Mn2+, Mg2SiO4:Mn2+, Mg3SiO3F4:Ti4+, MgSO4:EU2+, MgSO4:Pb2+, MgSrBa2Si2O7:Eu2+, MgSrP2O7:Eu2+, MgSr5(PO4)4:Sn2+, MgSr3Si2O8:Eu2+, Mn2+, Mg2Sr(SO4)3:Eu2+, Mg2TiO4:Mn4+, MgWO4, MgYBO4:Eu3+, Na3Ce(PO4)2:Tb3+, NaI:Tl, Na1.23K0.42Eu0.12TiSi4O11:EU3+, Na1.23K0.42Eu0.12TiSi5O13·xH2O:EU3+, Na1.29K0.46Er0.08TiSi4O11:EU3+, Na2Mg3Al2Si2O10:Tb, Na(Mg2-xMnx)LiSi4O10F2:Mn, NaYF4:Er3+, Yb3+, NaYO2:Eu3+, P46(70%) + P47(30%), SrAl12O19:Ce3+, Mn2+, SrAl2O4:Eu2+, SrAl4O7:Eu3+, SrAl12O19:Eu2+, SrAl2S4:Eu2+, Sr2B5O9Cl:Eu2+, SrB4O7:Eu2+(F,Cl,Br), SrB4O7:Pb2+, SrB4O7:Pb2+, Mn2+, SrB8O13:Sm2+, SrxBayClzAl2O4-z/2: Mn2+, Ce3+, SrBaSiO4:EU2+, Sr(Cl,Br,I)2:Eu2+ in SiO2, SrCl2:EU2+ in SiO2, Sr5Cl(PO4)3:Eu, SrwFxB4O6.5:EU2+, SrwFxByOz:Eu2+, Sm2+, SrF2:Eu2+, SrGa12O19:Mn2+, SrGa2S4:Ce3+, SrGa2S4:Eu2+, SrGa2S4:Pb2+, SrIn2O4:Pr3+,Al3+, (Sr,Mg)3(PO4)2:Sn, SrMgSi2O6:Eu2+, Sr2MgSi2O7:Eu2+, Sr3MgSi2O8:Eu2+, SrMoO4:U, SrO·3B2O3:Eu2+,Cl, β-SrO·3B2O3:Pb2+, β-SrO·3B2O3:Pb2+, Mn2+, α-SrO·3B2O3:Sm2+, Sr6P5BO20:Eu, Sr5(PO4)3Cl:Eu2+, Sr5(PO4)3Cl:Eu2+, Pr3+, Sr5(PO4)3Cl:Mn2+, Sr5(PO4)3Cl:Sb3+, Sr2P2O7:Eu2+, β-Sr3(PO4)2:Eu2+, Sr5(PO4)3F:Mn2+, Sr5(PO4)3F:Sb3+, Sr5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+, Sr5(PO4)3F:Sn2+, Sr2P2O7:Sn2+, β-Sr3(PO4)2:Sn2+, β-Sr3(PO4)2:Sn2+, Mn2+(Al), SrS:Ce3+, SrS:Eu2+, SrS:Mn2+, SrS:Cu+, Na, SrSO4:Bi, SrSO4:Ce3+, SrSO4:Eu2+, SrSO4:Eu2+, Mn2+, Sr5Si4O10Cl6:EU2+, Sr2SiO4:Eu2+, SrTiO3:Pr3+, SrTiO3:Pr3+, Al3+, Sr3WO6:U, SrY2O3:Eu3+, ThO2:Eu3+, ThO2:Pr3+, ThO2:Tb3+, YAl3B4O12:Bi3+, YAl3B4O12:Ce3+, YAl3B4O12:Ce3+, Mn, YAl3B4O12:Ce3+, Tb3+, YAl3B4O12:Eu3+, YAl3B4O12:Eu3+, Cr3+, YAl3B4O12:Th4+,Ce3+,Mn2+, YAlO3:Ce3+, Y3Al5O12:Ce3+, (Y,Gd,Lu,Tb)3(Al,Ga)5O12:(Ce,Pr,Sm), Y3Al5O12:Cr3+, YAlO3:Eu3+, Y3Al5O12:Eu3r, Y4Al2O9:Eu3+, Y3Al5O12:Mn4+, YAlO3:Sm3+, YAlO3:Tb3+, Y3Al5O12:Tb3+, YAsO4:Eu3+, YBO3:Ce3+, YBO3:Eu3+, YF3:Er3+, Yb3+, YF3:Mn2+, YF3:Mn2+, Th4+, YF3:Tm3+, Yb3+, (Y,Gd)BO3:Eu, (Y,Gd)BO3:Tb, (Y,Gd)2O3:Eu3+, Y1.34Gd0.60O3(Eu,Pr), Y2O3:Bi3+, YOBr:Eu3+, Y2O3:Ce, Y2O3:Er3+, Y2O3:Eu3+(YOE), Y2O3:Ce3+,Tb3+, YOCl:Ce3+, YOCl:Eu3+, YOF:EU3+, YOF:Tb3+, Y2O3:Ho3+, Y2O2S:Eu3+, Y2O2S:Pr3+, Y2O2S:Tb3+, Y2O3:Tb3 +, YPO4:Ce3+, YPO4:Ce3+, Tb3+, YPO4:Eu3+, YPO4:Mn2+, Th4+, YPO4:V5+, Y(P,V)O4:Eu, Y2SiO5:Ce3+, YTaO4, YTaO4:Nb5+, YVO4:Dy3+, YVO4:Eu3+, ZnAl2O4:Mn2+, ZnB2O4:Mn2+, ZnBa2S3:Mn2+, (Zn,Be)2SiO4:Mn2+, Zn0.4Cd0.6S:Ag, Zn0.6Cd0.4S:Ag, (Zn,Cd)S:Ag,Cl, (Zn,Cd)S:Cu, ZnF2:Mn2+, ZnGa2O4, ZnGa2O4:Mn2+, ZnGa2S4:Mn2+, Zn2GeO4:Mn2+, (Zn,Mg)F2:Mn2+, ZnMg2(PO4)2:Mn2+, (Zn,Mg)3(PO4)2:Mn2+, ZnO:Al3+, Ga3+, ZnO:Bi3+, ZnO:Ga3+, ZnO:Ga, ZnO-CdO:Ga, ZnO:S, ZnO:Se, ZnO:Zn, ZnS:Ag+,Cl–, ZnS:Ag,Cu,Cl, ZnS:Ag,Ni, ZnS:Au,In, ZnS-CdS (25–75), ZnS-CdS (50–50), ZnS-CdS (75–25), ZnS-CdS:Ag,Br,Ni, ZnS-CdS:Ag+,Cl, ZnS-CdS:Cu,Br, ZnS-CdS:Cu,I, ZnS:Cl–, ZnS:Eu2+, ZnS:Cu, ZnS:Cu+,Al3+, ZnS:Cu+,Cl–, ZnS:Cu,Sn, ZnS:Eu2+, ZnS:Mn2+, ZnS:Mn,Cu, ZnS:Mn2+,Te2+, ZnS:P, ZnS:P3–,Cl–, ZnS:Pb2+, ZnS:Pb2+,Cl–, ZnS:Pb,Cu, Zn3(PO4)2:Mn2+, Zn2SiO4:Mn2+, Zn2SiO4:Mn2+,As5+, Zn2SiO4:Mn,Sb2O2, Zn2SiO4:Mn2+,P, Zn2SiO4:Ti4+, ZnS:Sn2+, ZnS:Sn,Ag, ZnS:Sn2+,Li+, ZnS:Te,Mn, ZnSZnTe:Mn2+, ZnSe:Cu+,Cl, ZnWO4
  • Vorzugsweise besteht der Leuchtstoffkörper aus mindestens einem der folgenden Leuchtstoffmaterialien:
    (Y, Gd, Lu, Sc, Sm, Tb)3(Al, Ga)5O12:Ce (mit oder ohne Pr), (Ca, Sr, Ba)2SiO4:Eu, YSiO2N:Ce, Y2Si3O3N4:Ce, Gd2Si3O3N4:Ce, (Y,Gd,Tb,Lu)3Al5-xSixO12-xNx:Ce, BaMgAl10O17:Eu, SrAl2O4:Eu, Sr4Al14O25:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si2N2O2:Eu, SrSiAl2O3N2:Eu, (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu, CaAlSiN3:Eu, Molybdate, Wolframate, Vanadate, Gruppe-III Nitride, Oxide, jeweils einzeln oder Gemischen derselben mit einem oder mehreren Aktivatorionen wie Ce, Eu, Mn, Cr und/oder Bi.
  • Die Herstellung der eingesetzten Leuchtstoffmaterialien erfolgt nach herkömmlichen mixing and firing-Methoden oder vorzugsweise nach nasschemischen Methoden. Die nasschemische Herstellung besitzt generell den Vorteil, dass die resultierenden Materialien eine höhere Einheitlichkeit in Bezug auf die stöchiometrische Zusammensetzung, die Partikelgröße und die Morphologie der Partikel aufweisen.
  • Für die nasschemische Vorbehandlung einer wässrigen Vorstufe der Leuchtstoffe (Leuchtstoffprecursoren) bestehend z. B. aus einem Gemisch von Yttriumnitrat-, Aluminiumnitrat-, Cernitrat- und Gadoliniumnitratlösung sind folgende bekannte Methoden bevorzugt:
    • • Cofällung mit einer NH4HCO3-Lösung (siehe z. B. Jander, Blasius Lehrbuch der analyt. u. präp. anorg. Chem. 2002)
    • • Pecchini-Verfahren mit einer Lösung aus Zitronensäure und Ethylenglykol (siehe z. B. Annual Review of Materials Research Vol. 36: 2006, 281–331)
    • • Combustion-Verfahren unter Verwendung von Harnstoff
    • • Sprühtrocknung wässriger oder organischer Salzlösungen (Edukte)
    • • Sprühpyrolyse (auch Spraypyrolyse genannt) wässriger oder organischer Salzlösungen (Edukte)
    • • Eindampfen von Nitratlösungen und thermischer Umsetzung des Rückstandes
  • Bei der o. g. Cofällung werden z. B. Nitratlösungen der entsprechenden Leuchtstoffedukte mit einer NH4HCO3-Lösung versetzt, wodurch sich der Leuchtstoffprecursor bildet.
  • Beim Pecchini-Verfahren werden z. B. die o. g. Nitratlösungen der entsprechenden Leuchtstoffedukte bei Raumtemperatur mit einem Fällungsreagenz bestehend aus Zitronensäure und Ethylenglykol versetzt und anschließend erhitzt. Durch Erhöhung der Viskosität kommt es zur Leuchtstoffprecursor-Bildung.
  • Beim bekannten Combustion-Verfahren werden z. B. die o. g. Nitratlösungen der entsprechenden Leuchtstoffedukte in Wasser gelöst, dann unter Rückfluss gekocht und mit Harnstoff versetzt, wodurch sich der Leuchtstoffprecursor langsam bildet.
  • Die Sprühpyrolyse gehört zu den Aerosolverfahren, die durch Versprühen von Lösungen, Suspensionen oder Dispersionen in einen durch unterschiedliche Art und Weise erhitzten Reaktionsraum (Reaktor) sowie die Bildung und Abscheidung von Feststoff-Partikeln gekennzeichnet sind. Im Gegensatz zur Sprühtrocknung mit Heißgastemperaturen < 200°C finden bei der Sprühpyrolyse als Hochtemperatur-Prozess außer der Verdampfung des Lösungsmittels zusätzlich die thermische Zersetzung der verwendeten Edukte (z. B. Salze) sowie die Neubildung von Stoffen (z. B. Oxide, Mischoxide) statt.
  • Die o. g. 6 Verfahrensvarianten sind ausführlich in der DE 10 2006 027 133.5 (Merck) beschrieben, die voll umfänglich in den Kontext der vorliegenden Anmeldung durch Bezugnahme eingefügt wird.
  • Die nach den o. g. Methoden hergestellten Leuchtstoffprecursoren (z. B. amorphes oder teilkristallines oder kristallines YAG mit Cer dotiert), bestehen aus sub-μm großen Partikeln, weil sie dadurch eine sehr hohe Oberflächenenergie besitzen und über eine sehr große Sinteraktivität verfügen.
  • Anschließend werden die Leuchtstoffprecursoren einer ein- oder mehrstufigen thermischen Nachbehandlung zum fertigen Leuchtstoffpulver unterzogen, was unter reduzierender oder oxidierender Reaktionsgasatmosphäre, an der Luft oder im Vakuum geschehen kann.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes bestehend aus folgenden Verfahrensschritten:
    • • Aufbau eines schichtförmigen Halbleiterkörpers (1) in einem lichtabstrahlenden Halbleiterbauelement enthaltend anorganische lichtemittierende Schichten nach herkömmlichen Methoden wie Gasphasenepitaxie, PVD, CVD, MOCVD, MBE (molecular beam epitaxy), LPE (liquid phase epitaxy) oder bei Einsatz von organischen lichtemittierenden Schichten nach herkömmlichen Methoden wie Aufdampfprozessen, spin coating oder inkjet printing.
    • • anschließende Strukturierung der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) enthaltend Hohlzylinder mit parallelen Längsachsen über lithografische (Nano-Imprint-Technologie) und/oder Ätzverfahren, Elektronenstrahltechnik, reaktive Ionenstrahlentechnologie, holografische Technologien
    • • Beschichten der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) mit Konversionsmaterialien oder Konversionsprecursoren mit anschließender thermischer Behandlung.
    • • Anbringen von elektrischen Kontakten an den Halbleiterkörper (1) nach herkömmlichen Methoden wie Aufbringen von Edelmetallen wie Silber oder Gold.
    • • Anlöten von Drähten zur Bestromung.
    • • Verkapselung mit Silikon- oder Epoxyharz und ggf. Anbringung von Sekundäroptiken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes handelt es sich bei der Lichtquelle um ein lumineszentes IndiumAluminiumGalliumNitrid, insbesondere der Formel IniGajAlkN, wobei 0 ≤ i, 0 ≤ j, 0 ≤ k, und i + j + k = 1 ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes handelt es sich bei der Lichtquelle um eine lumineszente auf ZnO, TCO (Transparent conducting oxide), ZnSe oder SiC basierende Anordnung oder auch um eine auf einer organischen lichtemittierenden Schicht basierende Anordnung.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes handelt es sich bei der Lichtquelle um eine über elektrische Wechselfelder aktivierte elektrolumineszente Anordnung („Elektrolumineszenzelement"), z. B. sog. Elektrolumineszenzfolien aus beispielsweise ZnS oder dotiertem ZnS.
  • Weiterhin bevorzugt ist es, wenn das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper enthält, dessen ausgesandte Strahlung im nahen UV-liegenden Spektralbereich bei einer Wellenlänge λ zwischen 360 nm und 400 nm ein Lumineszenz-Intensitätsmaximum aufweist.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Halbleiterbauelement bevorzugt einen Halbleiterkörper, dessen ausgesandte Strahlung im blauen Spektralbereich bei einer Wellenlänge λ zwischen 420 und 470 nm ein Lumineszenz-Intensitätsmaximum aufweist.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Halbleiterbauelement bevorzugt einen Halbleiterkörper, dessen ausgesandte Strahlung im grünen Spektralbereich bei einer Wellenlänge λ zwischen 510 und 550 nm ein Lumineszenz-Intensitätsmaximum aufweist.
  • Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den 1 bis 6 näher erläutert werden. Sie sind jedoch keinefalls als limitierend zu betrachten.
  • Es zeigen:
  • 1: Schematische Schnittdarstellung eines Halbleiterkörpers, wobei die Schichtenfolge nicht vollständig skizziert ist. A = mit Konversionsmaterialien befüllte Hohlzylinder, B = Dicke der Schicht, welche über die strukturierte Oberfläche verfügt, C = strukturierte Oberfläche (p-GaN), D = lichtemittierende Schicht oder Grenzfläche, in der im Falle von LEDs die Ladungsträgerrekombination und Emission von Photonen stattfindet.
  • 2: Schematische Schnittdarstellung der Füllung der strukturierten Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit Konversionsleuchtstoff auf zwei verschiedene Arten: bei der ersten Alternative (E) sind ausschließlich die Hohlräume mit Konversionsleuchtstoffen befüllt, während bei der zweiten Alternative (F) zusätzlich noch die gesamte Oberfläche mit Konversionsleuchtstoff beschichtet ist.
  • 3: Abmessungen der nach oben offenen Hohlzylinder: G = Zylinderdurchmesser: 200 nm–10 μm,
    H = Dicke der Schicht, welche die strukturierte Oberfläche enthält: 100 nm–3 μm, J = Tiefe der Hohlzylinder: 10%–95% von H, K = Mittelpunktsabstand der Hohlzylinderbasis: 300 nm–20 μm
  • 4: Schematische Schnittdarstellung der Anordnung der Hohlzylinder photonisch kristallin (linke Anordnung) und photonisch quasikristallin (rechte Anordnung)
  • 5: Schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes mit Leuchtstoff lediglich in den Hohlzylindern (normales LED-Design mit Kontaktdraht auf LED-Oberseite aufgelötet) 1 = Halbleiterkörper; 2, 3 = elekt. Anschlüsse; 4 = strukturierte Oberfläche mit Hohlzylindern, die mit Leuchtstoff befüllt sind; 5 = Bonddraht; 6 = transparente Umhüllung
  • 6: Schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes im Flip-Chip-Design (ohne Kontaktdraht auf LED-Oberfläche) mit Konversionsleuchtstoff (Pulver in Harz-Dispersion oder keramische Beschichtung) in Hohlzylindern, 1 = Halbleiterkörper; 2, 3 = elekt. Anschlüsse; 4 = strukturierte Oberfläche mit Hohlzylindern, in denen sich Leuchtstoff befindet; 5 = Kontaktpunkt; 6 = transparente Umhüllung)
  • 7: Schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes im Flip-Chip-Design (ohne Kontaktdraht auf LED-Oberfläche) mit Konversionsleuchtstoff (Pulver in Harz-Dispersion oder keramische Beschichtung) in Hohlzylindern und über die gesamte Oberfläche, 1 = Halbleiterkörper; 2, 3 = elekt. Anschlüsse; 4 = strukturierte Oberfläche mit Hohlzylindern, in denen sich Leuchtstoff befindet; 5 = Kontaktpunkt; 6 = transparente Umhüllung)
  • 8: Schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes mit Leuchtstoff in den Hohlzylindern und über die gesamte Oberfläche (normales LED-Design mit Kontaktdraht auf LED-Oberseite aufgelötet) 1 = Halbleiterkörper; 2, 3 = elekt. Anschlüsse; 4 = strukturierte Oberfläche mit Hohlzylindern, die mit Leuchtstoff befüllt sind; 5 = Bonddraht; 6 = transparente Umhüllung
  • In den verschiedenen Abbildungen sind gleiche bzw. gleichwirkende Teile immer mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Halbleiterbauelement mit normalem LED-Design, wobei sich der Konversionsleuchtstoff (mit einer Harzdispersion) lediglich in den Hohlzylindern des Halbleiterkörpers (1) befindet. Der Halbleiterkörper (1) und Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse (2, 3) sind von einer weiteren transparenten Umhüllung (6) umschlossen, die keine Wellenlängenänderung der durch die Leuchtstoff-enthaltende, strukturierte Oberfläche (4) hindurchgetretene Strahlung bewirkt und beispielweise aus einem in der LED-Technik verwendbaren transparenten Epoxidharz oder aus einem anderen geeigneten strahlungsdurchlässigen Material wie z. B. Glas gefertigt ist. Über einen Bonddraht (5) ist die Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) mit einem zweiten elektrischen Anschluss (3) verbunden.
  • Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es um ein Halbleiterbauelement im Flip-Chip-Design (ohne Kontaktdraht auf der LED- Oberfläche), wobei sich das Leuchtstoffpulver (ohne Harzdispersion) lediglich in den Hohlzylindern der strukturierten Oberfläche (4) befindet. Der Halbleiterkörper (1) und Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse (2, 3) sind von einer weiteren transparenten Umhüllung (6) umschlossen, die keine Wellenlängenänderung der durch die Leuchtstoff-enthaltende, strukturierte Oberfläche (4) hindurchgetretene Strahlung bewirkt.
  • Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es um ein Halbleiterbauelement im Flip-Chip-Design (ohne Kontaktdraht auf der LED-Oberfläche), wobei sich das Leuchtstoffpulver (ohne Harzdispersion) in den Hohlzylindern und auf der Oberfläche (4) befindet. Der Halbleiterkörper (1) und Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse (2, 3) sind von einer weiteren transparenten Umhüllung (6) umschlossen, die keine Wellenlängenänderung der durch die Leuchtstoff-enthaltende, strukturierte Oberfläche (4) hindurchgetretene Strahlung bewirkt.
  • Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Halbleiterbauelement mit normalem LED-Design, wobei sich der Konversionsleuchtstoff (mit einer Harzdispersion) in den Hohlzylindern und der gesamten Oberfläche (4) des Halbleiterkörpers (1) befindet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (12)

  1. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1), der im Betrieb des Halbleiterbauelements elektromagnetische Strahlung aussendet, mit mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten elektrischen Anschluss (2, 3), die mit dem Halbleiterkörper (1) elektrisch leitend verbunden sind, wobei der Halbleiterkörper (1) eine Halbleiterschichtenfolge aufweist, die geeignet ist, im Betrieb des Halbleiterbauelementes elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches aus dem UV, blauen und/oder grünen Spektralbereich auszusenden, und der Halbleiterkörper (1) eine strukturierte Oberfläche (4) enthaltend Hohlzylinder mit paralleler Längsachse besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche (4) mit einem oder mehreren Lumineszenzkonversionsmaterialien beschichtet ist.
  2. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlzylinder vollständig mit einem oder mehreren Lumineszenzkonversionsmaterialien befüllt sind.
  3. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlzylinder eine Tiefe aufweisen, so dass sich der Boden der Hohlzylinder in unmittelbarer Nähe der lichtemittierenden Schicht befindet.
  4. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Lumineszenzkonversionsmaterialien um reine Leuchtstoffpartikel oder in Harz dispergierte Leuchtstoffpartikel handelt.
  5. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel aus mindestens einem der folgenden Leuchtstoffmaterialien besteht: (V, Gd, Lu, Sc, Sm, Tb)3(Al, Ga)5O12:Ce (mit oder ohne Pr), (Ca, Sr, Ba)2SiO4:Eu, YSiO2N:Ce, Y2Si3O3N4:Ce, Gd2Si3O3N4:Ce, (Y,Gd,Tb,Lu)3Al5-xSixO12-xNx:Ce, BaMgAl10O17:Eu, SrAl2O4:Eu, Sr4Al14O25:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si2N2O2:Eu, SrSiAl2O3N2:Eu, (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu, CaAlSiN3:Eu, Molybdate, Wolframate, Vanadate, Gruppe-III Nitride, Oxide, jeweils einzeln oder Gemischen derselben mit einem oder mehreren Aktivatorionen wie Ce, Eu, Mn, Cr und/oder Bi.
  6. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein lumineszentes IndiumAluminiumGalliumNitrid, insbesondere der Formel IniGajAlkN, wobei 0 ≤ i, 0 ≤ j, 0 ≤ k, und i + j + k = 1 enthält.
  7. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein auf ZnO, TCO (Transparent conducting Oxide), ZnSe oder SiC basierendes Material enthält.
  8. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein auf einer organischen lichtemittierenden Schicht basierendes Material oder ein auf ZnS basierendes Elektrolumineszenzelement enthält.
  9. Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 bei dem die vom Halbleiterkörper (1) ausgesandte Strahlung im nahen UV liegenden, blauen und/oder grünen Spektralbereich bei einer Wellenlänge λ zwischen 360 nm und 550 nm ein oder mehrere Lumineszenz-Intensitätsmaxima aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten: • Aufbau eines schichtförmigen Halbleiterkörpers (1) in einem lichtabstrahlenden Halbleiterbauelement enthaltend anorganische lichtemittierende Schichten nach herkömmlichen Methoden wie Gasphasenepitaxie, PVD, CVD, MOCVD, MBE (molecular beam epitaxy), LPE (liquid phase epitaxy) oder bei Einsatz von organischen lichtemittierenden Schichten nach herkömmlichen Methoden wie Aufdampfprozessen, sein coating oder inkjet printing. • anschließende Strukturierung der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) enthaltend Hohlzylinder mit parallelen Längsachsen über lithografische (Nano-Imprint-Technologie) und/oder Ätzverfahren, Elektronenstrahltechnik, reaktive Ionenstrahlentechnologie, holografische Technologien • Beschichten der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) mit Konversionsmaterialien oder Konversionsprecursoren mit anschließender thermischer Behandlung. • Anbringen von elektrischen Kontakten an den Halbleiterkörper (1) nach herkömmlichen Methoden wie Aufbringen von Edelmetallen wie Silber oder Gold. • Anlöten von Drähten zur Bestromung. • Verkapselung mit Silikon- oder Epoxyharz und ggf. Anbringung von Sekundäroptiken.
  11. Verwendung des lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 zur Konversion der Primärstrahlung des Halbleiterbauelementes in längerwellige monochromatische oder multichromatische Strahlung.
  12. Verwendung des lichtabstrahlenden Halbleiterbauelementes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 zur Konversion der Primärstrahlung in einen bestimmten Farbpunkt nach dem Color-on-demand-Konzept.
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