DE102007057669A1

DE102007057669A1 - Mischfarbige Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102007057669A1
Application number: DE200710057669
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Wirth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement, das mischfarbige Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge und einer längeren Wellenlänge emittiert und ein chipfernes Winkelfilterelement umfasst, das innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereichs einen unveränderten Strahlungsanteil stärker reflektiert als einen umgewandelten Strahlungsanteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement, das mischfarbige Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge und einer längeren Wellenlänge emittiert.
Mithilfe einer LED, die beispielsweise blaues Licht erzeugt und durch ein geeignetes Konvertermaterial einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt, kann infolge der entstehenden Farbmischung des originären blauen Lichts mit dem konvertierten gelben Licht Weißlicht erzeugt werden. Aufgrund verschiedener Weglängen von Lichtstrahlen innerhalb einer die LED umgebenden Harzfüllung, in welcher das Konvertermaterial enthalten ist, kann im Randbereich eines Bauelements der gelbe Anteil in der Gesamtstrahlung überwiegen, während im Gegensatz dazu in der Mitte der blaue Anteil überwiegt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, ein Halbleiterbauelement anzugeben, das Strahlung mit einem über einen gesamten Einfallswinkelbereich hinweg einheitlichen Farbort emittiert.
Diese Aufgabe wird durch ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement ein Chipgehäuse, einen Halbleiterchip, der in dem Chipgehäuse angeordnet ist und Strahlung einer kürzeren Wellenlänge erzeugt, ein Konversionselement, das dem Halbleiterchip in einer Vorzugsrichtung nachgeordnet ist und einen ersten Strahlungsanteil der von dem Halbleiterchip erzeugten Stahlung unverändert durchlässt, so dass der unveränderte Strahlungsanteil die kürzere Wellenlänge aufweist, und das einen zweiten Strahlungsanteil umwandelt, so dass der umgewandelte Strahlungsanteil eine längere Wellenlänge aufweist, sowie ein chipfernes Winkelfilterelement, das in das Chipgehäuse integriert ist und dem Konversionselement in der Vorzugsrichtung nachgeordnet ist und innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereichs, der kleinere Einfallswinkel umfasst als ein zweiter Einfallswinkelbereich, den unveränderten Strahlungsanteil stärker reflektiert als den umgewandelten Strahlungsanteil.
Lichtstrahlen, die im Wesentlichen parallel zu der Vorzugsrichtung verlaufen, treffen insbesondere unter Einfallswinkeln auf eine Hauptfläche des Winkelfilterelements auf, die innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs liegen. Hingegen treffen Lichtstrahlen, die schräg zur Vorzugsrichtung verlaufen, unter Einfallswinkeln auf die Hauptfläche auf, die innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs liegen.
Der gesamte Einfallswinkelbereich erstreckt sich vorzugsweise von –90° bis +90°, wobei Lichtstrahlen, die senkrecht auf die Hauptfläche des Winkelfilterelements auftreffen, einen Einfallswinkel von 0° aufweisen. Der gesamte Einfallswinkelbereich kann in den ersten und den zweiten Einfallswinkelbereich unterteilt werden, wobei die beiden Einfallswinkelbereiche vorzugsweise nicht miteinander überlappen. Ohne Winkelfilterelement ergibt sich die Unterteilung in den ersten und den zweiten Einfallswinkelbereich aus einer merklichen Änderung des Farborts. Denn ohne Winkelfilterelement unterscheidet sich der Farbort innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs merklich von dem Farbort innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs.
Um die emittierte Strahlung innerhalb des gesamten Winkelbereichs zu homogenisieren, wird vorliegend das Winkelfilterelement verwendet.
Unter einem „chipfernen" Element ist zu verstehen, dass dieses Element nicht direkt an den Halbleiterchip angrenzt. Dementsprechend bedeutet „chipnah", dass das Element an den Halbleiterchip angrenzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement ein Chipgehäuse, einen Halbleiterchip, der in dem Chipgehäuse angeordnet ist und Strahlung der kürzeren Wellenlänge erzeugt, ein Konversionselement, das dem Halbleiterchip in einer Vorzugsrichtung nachgeordnet ist und einen ersten Strahlungsanteil der von dem Halbleiterchip erzeugten Stahlung unverändert durchlässt, so dass der unveränderte Strahlungsanteil die kürzere Wellenlänge aufweist, und das einen zweiten Strahlungsanteil umwandelt, so dass der umgewandelte Strahlungsanteil die längere Wellenlänge aufweist, ein chipfernes Winkelfilterelement, das in das Chipgehäuse integriert ist und dem Konversionselement in der Vorzugsrichtung nachgeordnet ist und innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereichs, der größere Einfallswinkel umfasst als der erste Einfallswinkelbereich, den umgewandelten Strahlungsanteil stärker reflektiert als den unveränderten Strahlungsanteil.
Den beiden vorgenannten Ausführungsformen liegt folgende Annahme zugrunde: innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs überwiegt ohne Winkelfilterelement der unveränderte Strahlungsanteil mit der kürzeren Wellenlänge, während innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs der umgewandelte Strahlungsanteil mit der längeren Wellenlänge überwiegt. Um über den gesamten Winkelbereich hinweg einen einheitlichen Farbort zu erzielen, wird vorliegend mittels des Winkelfilterelements entweder innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs der unveränderte Strahlungsanteil abgeschwächt oder es wird innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs der umgewandelte Strahlungsanteil abgeschwächt.
Bezogen auf das eingangs genannte Beispiel kann der erste Einfallswinkelbereich vorliegend dem Einfallswinkelbereich entsprechen, innerhalb welchem ohne Winkelfilterelement ein erhöhter Blauanteil und ein verringerter Gelbanteil in der mischfarbigen Strahlung auftritt. Durch eine stärkere Reflexion des blauen Lichts kann der Blauanteil innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs reduziert werden. Ferner kann der zweite Einfallswinkelbereich dem Einfallswinkelbereich entsprechen, innerhalb welchem ohne Winkelfilterelement ein erhöhter Gelbanteil und ein verringerter Blauanteil auftritt. Durch eine stärkere Reflexion des gelben Lichts kann der Gelbanteil innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs reduziert werden.
Der am Winkelfilterelement reflektierte Strahlungsanteil wird in das Chipgehäuse zurückreflektiert. Dort können Reflexionsprozesse stattfinden, oder es können Absorptions- und Reemissionsprozesse in dem Halbleiterchip auftreten, die zu einer Wiedergewinnung des reflektierten Strahlungsanteils führen. Im Laufe dieser Prozesse ist eine Richtungsänderung möglich, so dass ein Teil des reflektierten Strahlungsanteils nachfolgend unter Einfallswinkeln auf das Winkelfilterelement auftrifft, die innerhalb des unkritischen Einfallswinkelbereichs liegen, und auskoppeln kann. Ein Lichtstrahl läuft also im Halbleiterbauelement beziehungsweise im Chipgehäuse idealerweise solange umher, bis er unter einem geeigneten Einfallswinkel auftrifft und auskoppeln kann. Oder der Lichtstrahl wird vom Halbleiterchip absorbiert und in eine geeignete Richtung reemittiert und kann somit auskoppeln. Ferner ist es denkbar, dass der Lichtstrahl im Konversionselement eine Wellenlängenänderung erfährt und somit auskoppeln kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Chipgehäuses weist dieses eine Ausnehmung auf, die durch eine Bodenfläche, auf welcher der Halbleiterchip montiert ist, und wenigstens eine Seitenfläche begrenzt ist, wobei zumindest die Seitenfläche reflektierend ist. Die jeweilige reflektierende Fläche, ob Seitenfläche oder Bodenfläche, kann eine Spiegelfläche oder eine diffus streuende Fläche sein. Wichtig ist, dass die reflektierende Fläche wenig absorbierend ist. Vorteilhafterweise bilden die Seitenfläche und die Bodenfläche bei dieser Ausführungsform einen Reflektor. Die Ausnehmung kann insbesondere die Form eines Kegelstumpfes aufweisen und sich in Richtung des Halbleiterchips verjüngen, wodurch eine für einen Reflektor geeignete Form gegeben ist.
Bei einer vorteilhaften Variante ist das Winkelfilterelement auf einem Träger angeordnet. Der Träger kann beispielsweise ein Glasplättchen sein. Der Träger kann an dem Chipgehäuse befestigt sein. Insbesondere kann der Träger durch einen Kleber, der beispielsweise silikonhaltig ist, mit dem Chipgehäuse verbunden sein.
Vorzugsweise deckt der Träger die Ausnehmung ab und kann den Halbleiterchip beispielsweise vor äußeren Einflüssen schützen. Der Träger kann entweder auf dem Chipgehäuse aufliegen und die Ausnehmung abbedecken oder passgenau in der Ausnehmung angeordnet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auch das Konversionselement auf dem Träger und chipfern angeordnet. Insbesondere kann das Konversionselement auf einer dem Halbleiterchip zugewandten Oberfläche des Winkelfilterelements angeordnet sein. Bevorzugterweise wird bei dieser Ausgestaltung zunächst das Winkelfilterelement auf den Träger aufgebracht. Anschließend wird das Konversionselement auf das Winkelfilterelement aufgebracht. Der Träger wird dann zusammen mit dem aufgebrachten Winkelfilterelement und dem aufgebrachten Konversionselement auf dem Chipgehäuse oder in der Ausnehmung angeordnet. Das Winkelfilterelement kann ein dielektrischer Filter sein, der mindestens zwei dielektrische Schichten mit verschiedenem Brechungsindex aufweist. Diese Schichten können auf den Träger beispielsweise aufgesputtert oder aufgedampft werden. Das Konversionselement ist vorzugsweise eine direkt auf das Winkelfilterelement aufgebrachte Schicht aus einem Verguss, der zumindest einen Konversionsstoff enthält.
Ein Zwischenraum zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip kann mit Luft oder einer Füllmasse ausgefüllt sein. Typischerweise wird eine Füllmasse verwendet, um den Halbleiterchip vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Staub oder anderen Fremdkörpern zu schützen. Wird ein Träger verwendet, der die Ausnehmung abdeckt, ist eine Füllmasse nicht zwingend notwendig und der Zwischenraum kann mit Luft gefüllt sein. Allerdings kann durch die Verwendung einer geeigneten Füllmasse, beispielsweise aus Silikon, der Brechungsindexsprung zwischen dem Halbleiterchip und der Umgebung verringert werden, so dass geringere Strahlungsverluste aufgrund von Totalreflexionen am Übergang zwischen dem Halbleiterchip und der Umgebung auftreten. Ferner bildet die Oberfläche der Füllmasse eine geeignete Auflagefläche für den Träger mit dem darauf aufgebrachten Winkelfilterelement und Konversionselement.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Halbleiterbauelements ist das Konversionselement nicht auf dem Winkelfilterelement angeordnet. Zwischen dem Konversionselement und dem Winkelfilterelement ist ein Luftspalt vorgesehen. Das Winkelfilterelement kann selbsttragend und am Chipgehäuse befestigt sein oder zur Stabilisierung auf einem Träger angeordnet sein, der am Chipgehäuse befestigt ist. Das Konversionselement ist vorzugsweise eine Schicht mit einem Konversionsstoff, wobei die Schicht direkt auf eine Füllmasse aufgebracht ist, in welche der Halbleiterchip eingebettet ist. Insbesondere kann die Schicht eben sein und eine gleichmäßige Dicke aufweisen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Halbleiterchip in das Konversionselement eingebettet, das heißt das Konversionselement bedeckt den Halbleiterchip auf allen frei liegenden Flächen. Insbesondere weist das Konversionselement eine konvex gekrümmte Strahlungsaustrittsfläche auf. Vorteilhafterweise kann durch die konvexe Krümmung des Konversionselements in der Vorzugsrichtung der umgewandelte Strahlungsanteil erhöht werden. Dadurch kann beispielsweise im Vergleich zu einem eben ausgebildeten Konversionselement ein Winkelfilterelement mit geringerem Reflexionsgrad nahe der Vorzugsrichtung verwendet werden.
Während das Konversionselement bei dieser Ausführungsform chipnah angeordnet ist, ist das Winkelfilterelement weiterhin chipfern angeordnet. Vorzugsweise ist das Winkelfilterelement auf einen Träger aufgebracht, der am Chipgehäuse befestigt ist. Ein Zwischenraum zwischen dem Winkelfilterelement und dem Konversionselement kann mit Luft und/oder einer Füllmasse ausgefüllt sein. Insbesondere ist der Zwischenraum vollständig mit Luft oder einer Füllmasse gefüllt, wenn das Winkelfilterelement ein dielektrischer Filter ist. Wie bereits erwähnt, trägt eine Füllmasse Vorteilhafterweise dazu bei, Strahlungsverluste am Übergang zwischen Halbleiterchip und Umgebung zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Winkelfilterelement auf das Konversionselement aufgebracht sein. Beispielsweise kann das Konversionselement auf einer Füllmasse angeordnet sein, in welche der Halbleiterchip eingebettet ist. In diesem Fall wird kein Träger benötigt.
Zur Herstellung eines derartigen Halbleiterbauelements wird der Halbleiterchip auf der Bodenfläche des Chipgehäuses montiert und in die Füllmasse eingebettet. Vorzugsweise grenzt die Füllmasse unmittelbar an die wenigstens eine Seitenfläche und an die Bodenfläche an. Auf einer Strahlungsaustrittsfläche der Füllmasse wird das Konversionselement, vorzugsweise als Schicht mit einem Konversionsstoff, aufgebracht. Das Winkelfilterelement wird auf dem Konversionselement abgeschieden. Insbesondere ist das Winkelfilterelement ein dielektrischer Filter, der zumindest zwei dielektrische Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist.
Für den dielektrischen Filter sind Silizium-haltige Materialien geeignet. Beispielsweise kann eine erste Schicht ein Siliziumoxid und eine zweite Schicht ein Siliziumnitrid enthalten. Ferner können auch Titan-haltige Materialien für den dielektrischen Filter verwendet werden. Beispielsweise kann eine erste Schicht ein Siliziumoxid und eine zweite Schicht ein Titanoxid enthalten. Insbesondere weisen die Schichten eine Schichtdicke von λ₀/4n auf, wobei λ₀ die Vakuum-Wellenlänge der zu reflektierenden Strahlung und n der Brechungsindex in der jeweiligen dielektrischen Schicht ist.
Das Konversionselement ist vorzugsweise aus einem Vergussmaterial wie beispielsweise Silikon gebildet, in welchem der Konversionsstoff gleichmäßig verteilt ist. Geeignete Konversionsstoffe, wie zum Beispiel YAG:Ce, sind aus der WO 98/12757 bekannt, deren Inhalt hiermit insbesondere in Bezug auf Leuchtstoffe durch Referenz aufgenommen wird.
Der Halbleiterchip weist vorliegend insbesondere eine Epitaxie-Schichtenfolge auf, die Nitridverbindungshalbleiter enthält, das heißt die Epitaxie-Schichtenfolge ist aus Al_xGa_yIn_1-x-yN gebildet, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_xGa_yIn_1-x-yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Weiterhin findet bevorzugt ein Halbleiterchip Verwendung, der in Dünnfilm-Technik hergestellt ist. Bei der Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterchips wird eine Halbleiterschichtenfolge, die eine Strahlung emittierende aktive Schicht umfasst, zunächst epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen. Dann wird ein Träger auf eine dem Aufwachssubstrat gegenüber liegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt. Da insbesondere die für Nitridverbindungshalbleiter verwendeten Aufwachssubstrate, beispielsweise SiC, Saphir oder GaN vergleichsweise teuer sind, bietet dieses Verfahren insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwertbar ist.
Ein Grundprinzip einer Dünnfilm-LED ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Der Dünnfilm-Halbleiterchip ist ein Lambert'scher Strahler mit vorteilhafter Auskoppeleffizienz.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform emittiert das Halbleiterelement weißes Licht, wobei der Halbleiterchip blaues Licht erzeugt, so dass der unveränderte Strahlungsanteil eine erste Vakuum-Wellenlänge zwischen 450 und 500 nm aufweist, und das Konversionselement einen zweiten Strahlungsanteil umwandelt, so dass der umgewandelte Strahlungsanteil gelbes Licht und eine zweite Vakuum-Wellenlänge zwischen 560 und 590 nm aufweist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements,
2A eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines bevorzugten Winkelfilterelements,
2B ein Schaubild darstellend das Reflexionswinkelspektrum des in 2A dargestellten Winkelfilterelements,
3 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements.
Das in 1 dargestellte Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 1 weist ein Chipgehäuse 2 auf, in welchem ein Halbleiterchip 3 angeordnet ist. Insbesondere ist der Halbleiterchip 3 auf einer Bodenfläche 7 des Chipgehäuses 2 montiert, die zusammen mit einer Seitenfläche 8 eine Ausnehmung 6 in dem Chipgehäuse 2 begrenzt. Die Ausnehmung 6, welche die Form eines Kegelstumpfes aufweist, verjüngt sich in Richtung des Halbleiterchips 3 und ist damit als Reflektor geeignet. Die Reflektorwirkung kann durch eine Verspiegelung der Seitenfläche 8 und gegebenenfalls der Bodenfläche 7 verstärkt werden.
Der Halbleiterchip 3 ist vorzugsweise ein Dünnfilm-Halbleiterchip, der Strahlung in eine Vorzugsrichtung V emittiert. Die Vorzugsrichtung V verläuft insbesondere senkrecht zu einer Ebene, in welcher sich die aktive Zone des Halbleiterchips 3 befindet.
Der Halbleiterchip 3 umfasst typischerweise eine Schichtenfolge mit einer aktiven Zone. Die aktive Zone weist einen Strahlung erzeugenden pn-Übergang auf, der im einfachsten Fall mittels einer p-leitenden und einer n-leitenden Halbleiterschicht gebildet ist, die unmittelbar aneinandergrenzen. Es kann jedoch auch zwischen der p-leitenden und der n-leitenden Halbleiterschicht die eigentliche Strahlung erzeugende Schicht, etwa in Form einer dotierten oder undotierten Quantenschicht, angeordnet sein. Die Quantenschicht kann als Einfachquantentopfstuktur (SQW, Single Quantum Well) oder Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multiple Quantum Well) oder auch als Quantendraht oder Quantenpunktstruktur ausgebildet sein. Von der aktiven Zone wird Strahlung einer kürzeren Wellenlänge, zum Beispiel blaues oder ultraviolettes Licht, erzeugt.
In der Vorzugsrichtung V ist dem Halbleiterchip 3 ein Konversionselement 4 nachgeordnet. Das Konversionselement 4 lässt einen ersten Strahlungsanteil der von dem Halbleiterchip 3 erzeugten Stahlung unverändert durch, so dass der unveränderte Strahlungsanteil die kürzere Wellenlänge aufweist, und wandelt einen zweiten Strahlungsanteil um, so dass der umgewandelte Strahlungsanteil eine längere Wellenlänge, beispielsweise gelbes Licht, aufweist.
Ein Zwischenraum zwischen dem Konversionselement 4 und dem Halbleiterchip 3 kann mit Luft oder einer Füllmasse gefüllt sein, in welche der Halbleiterchip 3 eingebettet ist. Ist der Zwischenraum mit einer Füllmasse ausgefüllt, so kann das Konversionselement 4 direkt auf der Füllmasse angeordnet werden. Ist der Zwischenraum mit Luft gefüllt, so kann das Konversionselement 4 wie in 1 dargestellt auf einem Träger 9 angeordnet werden, der am Chipgehäuse 2 befestigt wird. Zwischen dem Träger 2 und dem Konversionselement 4 befindet sich das Winkelfilterelement 5.
Insbesondere ist das Winkelfilterelement 5 ein dielektrischer Filter, der mindestens zwei dielektrische Schichten mit verschiedenem Brechungsindex aufweist, wobei die dielektrischen Schichten vorzugsweise direkt auf den Träger 9 aufgebracht sind, indem sie beispielsweise aufgesputtert oder aufgedampft werden. Weiterhin ist das Konversionselement 4 insbesondere in Form einer gleichmäßigen Schicht auf das Winkelfilterelement 5 aufgebracht. Die Schicht kann aus einem Verguss gebildet sein, der beispielsweise Silikon enthält und zumindest einen Konversionsstoff aufweist.
Das Winkelfilterelement 5 weist insbesondere dielektrische Schichten mit alternierendem Brechungsindex auf, das heißt abwechselnd erste Schichten mit einem ersten Brechungsindex und zweite Schichten mit einem zweiten Brechungsindex.
Für den dielektrischen Filter sind Silizium-haltige Materialien geeignet. Beispielsweise kann eine erste Schicht ein Siliziumoxid und eine zweite Schicht ein Siliziumnitrid enthalten. Ferner können auch Titan-haltige Materialien für den dielektrischen Filter verwendet werden. Beispielsweise kann eine erste Schicht ein Siliziumoxid und eine zweite Schicht ein Titanoxid enthalten. Entscheidend ist der Brechungsindexsprung am Übergang zwischen den Schichten, der möglichst groß sein sollte. Aufbau und Reflexionswinkelspektrum eines geeigneten Winkelfilterelements 5 werden im Zusammenhang mit den 2A und 2B näher erläutert.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass das in 1 dargestellte Winkelfilterelement 5 innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs den unveränderten Strahlungsanteil stärker reflektiert als den umgewandelten Strahlungsanteil.
Exemplarisch ist ein von dem Halbleiterchip 3 ausgesandter Lichtstrahl A gezeigt, der das Konversionselement 4 ohne Wellenlängenänderung passiert. Da der Lichtstrahl A innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs auf das Winkelfilterelment 5 auftrifft, kann der Lichtstrahl A, der die kürzere Wellenlänge aufweist, aus dem Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement 1 auskoppeln.
Ein Lichtstrahl B, der das Konversionselement 4 beim ersten Durchgang ebenfalls ohne Wellenlängenänderung passiert, trifft unter einem Einfallswinkel innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs auf das Winkelfilterelment 5 auf und wird daher reflektiert. Nach der Reflexion am Winkelfilterelment 5 gelangt der Lichtstrahl B wieder in das Konversionselement 4, erfährt dort eine Änderung der Wellenlänge und verlässt das Konversionselement 4 in Richtung des Winkelfilterelments 5. Der Lichtstrahl B, der nun die längere Wellenlänge aufweist, kann durch das Winkelfilterelment 5 hindurch auskoppeln.
Ein Lichtstrahl C tritt bei einem ersten Durchgang und bei einem zweiten Durchgang nach der Reflexion am Winkelfilterelement 5 ohne Änderung der Wellenlänge durch das Konversionselement 4 hindurch. Dann trifft der Lichstrahl C auf die Bodenfläche 7, wird dort reflektiert, tritt erneut in das Konversionselement 4 ein, erfährt eine Änderung der Wellenlänge und trifft unter einem Einfallswinkel, der innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs liegt, auf das Winkelfilterelement 5 auf. Der Lichtstrahl C, der nun die längere Wellenlänge aufweist, kann aus dem Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement 1 auskoppeln.
Ein Lichtstrahl D tritt beim ersten Durchgang ohne Änderung der Wellenlänge durch das Konversionselement 4 hindurch und wird am Winkelfilterelement 5 reflektiert, da der Lichstrahl D mit der Vorzugsrichtung V einen Winkel einschließt, der innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs liegt. Auch bei einem zweiten Durchgang durch das Konversionselement 4 ändert sich die Wellenlänge des Lichtstrahls D nicht. Der Lichtstrahl D trifft auf die Seitenfläche 8 des Chipgehäuses 2 auf und wird in Richtung des Konversionselements 4 reflektiert. Durch das Konversionselement 4 tritt der Lichtstrahl D erneut unverändert hindurch. Aufgrund der Reflexion am Chipgehäuse 2 trifft der Lichtstrahl D nun unter einem Einfallswinkel auf das Winkelfilterelement 5 auf, der innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs liegt. Somit kann der Lichstrahl D, der nach wie vor die kürzere Wellenlänge aufweist, aus dem Halbleiterbauelement 1 auskoppeln.
Die unterschiedlichen Verläufe der Lichtstahlen A bis D zeigen exemplarisch, welche Prozesse in dem Halbleiterbauelement 1 ablaufen können, bis es zu einer Auskopplung der einzelnen Lichtstrahlen kommt. Die Überlagerung all dieser Prozesse führt letztendlich dazu, dass der unveränderte Strahlungsanteil innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs im Vergleich zu einem Halbleiterbauelement ohne Winkelfilterelement abgeschwächt wird. Vorteilhafterweise führt dies dazu, dass das Halbleiterbauelement 1 homogene mischfarbige Strahlung emittiert.
Es sei angemerkt, dass das Winkelfilterelement 5 alternativ derart ausgebildet werden kann, dass der umgewandelte Strahlungsanteil innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs stärker reflektiert wird als der unveränderte Strahlungsanteil.
2A zeigt eine erste bevorzugte Variante eines Winkelfilterelementes 5. Dieses ist ein dielektrischer Mehrschichtfilter. Das Winkelfilterelement 5 weist eine Mehrzahl von Schichten auf, die sich durch Material oder Schichtdicke voneinander unterscheiden. Insbesondere können die Schichten 50a und 50b eine Schichtdicke aufweisen, die λ₀/4n beträgt, wobei λ₀ die kleinere Wellenlänge im Vakuum und n der Brechungsindex eines jeweiligen Schichtmaterials ist. Geeignete Materialien sind für die Schichten 50 und 50b SiO₂ mit einem Brechungsindex n₁ = 1.5 und für die Schichten 50a SiN mit einem Brechungsindex n₂ = 2.0. Der Brechungsindex n ändert sich innerhalb des Winkelfilterelements 5 periodisch. Das Winkelfilterelement 5 ist nicht auf die dargestellte Anzahl von Schichten festgelegt. Vielmehr ist die Anzahl der Schichten abhängig von einer gewünschten Charakteristik des Reflexionswinkelspektrums.
Das in 2A dargestellte Winkelfilterelement 5 ist auf eine Designwellenlänge λ_D abgestimmt, die kleiner ist als die kürzere Wellenlänge λ₀ der von dem Halbleiterkörper erzeugten Strahlung. Mit anderen Worten liegt die Designwellenlänge λ_D innerhalb eines Passbandes des Winkelfilterelements 5. Ferner ist das Winkelfilterelement 5 gegenüber der Wellenlänge λ_o verstimmt oder anders ausgedrückt liegt die Wellenlänge λ_o an einer langwelligen Flanke eines Stoppbandes des Winkelfilterelements 5. Dadurch kann das Winkelfilterelement 5 Lichtstrahlen, die unter kleineren Einfallswinkeln auf das Winkelfilterelement 4 auftreffen, stärker reflektieren als Lichtstrahlen, die unter größeren Einfallswinkeln auf das Winkelfilterelement 4 auftreffen. Insbesondere beträgt die Wellenlänge λ₀ etwa 460 nm, während die Designwellenlänge λ_D etwa 400 nm beträgt.
Das Schaubild gemäß 2B zeigt das Reflexionswinkelspektrum des in 2A dargestellten Winkelfilterelements 5. Die gestrichelte Kurve I stellt einen Intensitätsreflexionsfaktor für alle Einfallswinkel θ graphisch dar, wobei –90° ≤ θ ≤ 90° ist. Die durchgezogene Kurve II stellt einen Intensitätstransmissionsfaktor für denselben Einfallswinkelbereich graphisch dar. Wie aus 2B hervorgeht, ist die Transmission in der Vorzugsrichtung V, also bei dem Einfallswinkel θ = 0°, abgeschwächt, während die Reflektivität erhöht ist. Dieses Verhalten kehrt sich in einem Einfallswinkelbereich von etwa 30° ≤ θ ≤ 60° beziehungsweise –60° ≤ 0 ≤ –30° um.
Lichtstrahlen, die unter kleineren Einfallswinkeln, das heißt Winkeln, die innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs liegen, auf das Winkelfilterelement 5 auftreffen, das heißt mit der Vorzugsrichtung V den Winkel –30° ≤ θ ≤ 30° einschließen, werden zu etwa 40% reflektiert, während Lichtstrahlen, die unter größeren Einfallswinkeln auf das Winkelfilterelement 5 auftreffen, das heißt mit der Vorzugsrichtung V den Winkel 30° ≤ θ ≤ 60° beziehungsweise –60° ≤ θ ≤ –30° einschließen, zu 80% bis 100% transmittiert werden. Diese Lichtstrahlen schließen mit der Vorzugsrichtung V Winkel ein, die innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs liegen.
In 3 ist ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement 1 dargestellt, bei welchem das Konversionselement 4 chipnah angeordnet ist. Das Winkelfilterelement 5 ist hingegen chipfern angeordnet. Insbesondere ist der Halbleiterchip 3 in das Konversionselement 4 eingebettet. Das Konversionselement 4 weist eine konvex gekrümmte Strahlungsaustrittsfläche auf. Vorteilhafterweise kann durch die konvexe Krümmung des Konversionselements 4 der umgewandelte Strahlungsanteil in der Vorzugsrichtung V erhöht werden. Dadurch kann beispielsweise im Vergleich zu einem eben ausgebildeten Konversionselement, wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, ein Winkelfilterelement mit geringerem Reflexionsgrad V verwendet werden.
Wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch hier ein Winkelfilterelement 5, insbesondere ein dielektrischer Filter, verwendet, das den unveränderten Strahlungsanteil innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs stärker reflektiert als den umgewandelten Strahlungsanteil.
Der Zwischenraum zwischen dem Winkelfilterelement 5 und dem Konversionselement 4 ist vorzugsweise mit Luft gefüllt. Das Winkelfilterelement 5 kann selbsttragend sein oder wie in 3 dargestellt auf einem Träger 9 angeordnet sein. Das Winkelfilterelement 5 oder der Träger 9 decken die Ausnehmung 6 ab, so dass das Innere des Halbleiterelements 1 vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Vorzugsweise ist das Winkelfilterelement 5 mittels des Trägers 9 an dem Chipgehäuse 2 befestigt. Zweckmäßigerweise ist der Träger 9 sowohl für den unveränderten Strahlungsanteil als auch für den umgewandelten Strahlungsanteil durchlässig. Beispielsweise kann der Träger ein Glasplättchen sein.
Exemplarisch wird nachfolgend der Verlauf verschiedener Lichtstrahlen beschrieben.
Ein von dem Halbleiterchip 3 emittierter Lichtstrahl A tritt ohne Wellenlängenänderung durch das Konversionselement 4 hindurch, passiert den Zwischenraum zwischen dem Konversionselement 4 und dem Winkelfilterelement 5 und trifft unter einem Einfallswinkel auf das Winkelfilterelement 5, der innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs liegt, so dass der Lichstrahl beim ersten Auftreffen auf das Winkelfilterelement 5 auskoppeln kann.
Anders verhält es sich bei einem Lichtstrahl B, der das Konversionselement 4 ohne Wellenlängenänderung passiert und unter einem Einfallswinkel auf das Winkelfilterelement 5 auftrifft, der innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs liegt. Der Lichtstrahl B wird beim ersten Auftreffen auf das Winkelfilterelement 5 reflektiert. Der Lichtstrahl B wird in Richtung des Konversionselements 4 reflektiert, wird dort umgewandelt, so das der Lichtstrahl B die längere Wellenlänge aufweist, und trifft erneut auf das Winkelfilterelement 5 auf. Obwohl der Einfallswinkel, unter welchem der Lichtstrahl B auf das Winkelfilterelement 5 auftrifft, innerhalb des ersten Einfallswinkelbereichs liegt, kann der Lichtstrahl B auskoppeln. Denn das Winkelfilterelement 5 weist keine erhöhte Reflektivität für den umgewandelten Strahlungsanteil mit der längeren Wellenlänge auf.
Ein Lichtstrahl C, der durch das Konversionselement 4 auch ohne Wellenlängenänderung hindurchtritt und am Winkelfilterelement 5 reflektiert wird, trifft auf die Seitenfläche 8 des Chipgehäuses 2 auf und wird in Richtung des Winkelfilterelements 5 umgelenkt. Da der Einfallswinkel, unter welchem der Lichtstrahl C auf das Winkelfilterelement 5 auftrifft, innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereichs liegt, kann der Lichtstrahl C aus dem Halbleiterbauelement 1 auskoppeln.
Weiterhin wird ein Lichtstrahl D nach der Reflexion am Winkelfilterelement 5 an der Bodenfläche 7 reflektiert und erfährt auf dem Weg durch das Konversionelement 4 eine Änderung der Wellenlänge. Der Lichtstrahl D trifft auf das Winkelfilterelement 5 auf und kann auskoppeln.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 98/12757 [0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0029]

Claims

Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1), das mischfarbige Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge und einer längeren Wellenlänge emittiert, aufweisend: – ein Chipgehäuse (2), – einen Halbleiterchip (3), der in dem Chipgehäuse (2) angeordnet ist und Strahlung der kürzeren Wellenlänge erzeugt, – ein Konversionselement (4), das dem Halbleiterchip (3) in einer Vorzugsrichtung (V) nachgeordnet ist und einen ersten Strahlungsanteil der von dem Halbleiterchip (3) erzeugten Stahlung unverändert durchlässt, so dass der unveränderte Strahlungsanteil die kürzere Wellenlänge aufweist, und das einen zweiten Strahlungsanteil umwandelt, so dass der umgewandelte Strahlungsanteil die längere Wellenlänge aufweist, – ein chipfernes Winkelfilterelement (5), das in das Chipgehäuse (2) integriert ist und dem Konversionselement (4) in der Vorzugsrichtung (V) nachgeordnet ist und innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereichs, der kleinere Einfallswinkel umfasst als ein zweiter Einfallswinkelbereich, den unveränderten Strahlungsanteil stärker reflektiert als den umgewandelten Strahlungsanteil.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1), das mischfarbige Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge und einer längeren Wellenlänge emittiert, aufweisend: – ein Chipgehäuse (2), – einen Halbleiterchip (3), der in dem Chipgehäuse (2) angeordnet ist und Strahlung der kürzeren Wellenlänge erzeugt, – ein Konversionselement (4), das dem Halbleiterchip (3) in einer Vorzugsrichtung (V) nachgeordnet ist und einen ersten Strahlungsanteil der von dem Halbleiterchip (3) erzeugten Stahlung unverändert durchlässt, so dass der unveränderte Strahlungsanteil die kürzere Wellenlänge aufweist, und das einen zweiten Strahlungsanteil umwandelt, so dass der umgewandelte Strahlungsanteil die längere Wellenlänge aufweist, – ein chipfernes Winkelfilterelement (5), das in das Chipgehäuse (2) integriert ist und dem Konversionselement (4) in der Vorzugsrichtung (V) nachgeordnet ist und innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereichs, der größere Einfallswinkel umfasst als ein erster Einfallswinkelbereich, den umgewandelten Strahlungsanteil stärker reflektiert als den unveränderten Strahlungsanteil.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Winkelfilterelement (5) ein dielektrischer Filter ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Chipgehäuse (2) eine Ausnehmung (6) aufweist, die durch eine Bodenfläche (7), auf welcher der Halbleiterchip (3) montiert ist, und wenigstens eine Seitenfläche (8) begrenzt ist, wobei zumindest die Seitenfläche (8) reflektierend ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Winkelfilterelement (5) auf einem Träger (9) angeordnet ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 5, wobei der Träger (9) an dem Chipgehäuse (2) befestigt ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6 mit Rückbezug auf Anspruch 4, wobei der Träger (9) die Ausnehmung (6) abdeckt.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) chipfern und auf dem Winkelfilterelement (5) angeordnet ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 8, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Konversionselement (4) und dem Halbleiterchip (3) mit Luft oder einer Füllmasse ausgefüllt ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Konversionselement (4) chipfern und auf einer Füllmasse, die einen Zwischenraum zwischen dem Konversionselement (4) und dem Halbleiterchip (3) ausfüllt, angeordnet ist, wobei zwischen dem Konversionselement (4) und dem Winkelfilterelement (5) ein Luftspalt vorgesehen ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Halbleiterchip (3) in das Konversionselement (4) eingebettet ist, und das Konversionselement (4) eine konvex gekrümmte Strahlungsaustrittsfläche aufweist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 11, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Winkelfilterelement (5) und dem Konversionselement (4) mit Luft und/oder einer Füllmasse ausgefüllt ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Halbleiterchip (3) in eine Füllmasse eingebettet ist, auf welcher das Konversionselement (4) angeordnet ist, und auf dem Konversionselement (4) das Winkelfilterelement (5) angeordnet ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (3) ein Dünnfilm-Halbleiterchip ist.
Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weißes Licht emittiert, wobei der Halbleiterchip (3) blaues Licht erzeugt, so dass der unveränderte Strahlungsanteil eine erste Vakuum-Wellenlänge zwischen 450 und 500 nm aufweist, und das Konversionselement einen zweiten Strahlungsanteil umwandelt, so dass der umgewandelte Strahlungsanteil gelbes Licht und eine zweite Vakuum-Wellenlänge zwischen 560 und 590 nm aufweist.