DE102008011866A1 - Semiconductor light source for light source arrangement of projector, has reflector element guiding primary radiation on luminescence material or deflects secondary radiation delivered from material in direction of primary radiation source - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlichtquelle sowie eine Lichtquellenanordnung mit einer derartigen Halbleiterlichtquelle.The The present invention relates to a semiconductor light source as well a light source arrangement with such a semiconductor light source.
Halbleiterlichtquellen werden häufig für Lichtanwendungen eingesetzt die eine hohe Leuchtkraft benötigen, beispielsweise für Projektoren. Mit Halbleiterlichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge kann wiederum ein weißes Licht erzeugt werden.Semiconductor light sources are often used for lighting applications which require a high luminosity, for example Projectors. With semiconductor light sources of different wavelengths can in turn a white light can be generated.
In
einigen Realisierungen umfasst eine Halbleiterlichtquelle eine Primärstrahlungsquelle
sowie ein Lumineszenzkonversionselement, um ein Licht mit einer
anderen Wellenlänge als das der Primärstrahlungsquelle
zu erzeugen. Eine derartige Halbleiterlichtquelle ist beispielsweise
aus der Druckschrift
Derartige Halbleiterlichtquellen könnten jedoch eine nicht zufrieden stellende Abfuhr von Verlustwärme aus dem Lumineszenzkonversionselement aufweisen. Insbesondere kann eine Bestrahlung des Lumineszenzkonversionselements durch eine Primärstrahlungsquelle mit einer hohen Energiedichte zu einer relativ starken Temperaturerhöhung des Lumineszenzkonversion selements und insbesondere des Lumineszenzmaterials führen. Dadurch wird die Effizienz einer Wellenlängenkonversion durch das Lumineszenzmaterial negativ beeinträchtigt.such However, semiconductor light sources could not be satisfied final removal of heat loss from the luminescence conversion element exhibit. In particular, irradiation of the luminescence conversion element by a primary radiation source with a high energy density to a relatively high temperature increase of the luminescence conversion selements and in particular lead the luminescent material. Thereby is the efficiency of wavelength conversion by the Luminescent material adversely affected.
In
der
Dennoch bleibt das Bedürfnis, eine Halbleiterlichtquelle anzugeben, bei der eine Wellenlängenkonversion auch bei hohen Energiedichten einer elektromagnetischen Primärstrahlung besonders effizient ist. Weiterhin soll eine Lichtquellenanordnung angegeben werden, die zur Erzeugung von Licht unterschiedlicher Wellenlänger mit besonders hoher Lichtausbeute geeignet ist.Yet the need remains to provide a semiconductor light source at the wavelength conversion even at high energy densities an electromagnetic primary radiation particularly efficient is. Furthermore, a light source arrangement is to be specified, for generating light of different wavelengths with a particularly high light output is suitable.
Diese Aufgaben werden durch die Halbleiterlichtquelle sowie die Lichtquellenanordnung mit einer derartigen Halbleiterlichtquelle gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.These Tasks are performed by the semiconductor light source as well as the light source arrangement with such a semiconductor light source according to the independent claims solved. Further developments and refinements emerge from the subclaims.
In einer Ausgestaltung umfasst eine Halbleiterlichtquelle eine Primärstrahlungsquelle mit einer Schichtenfolge, die im Betrieb eine elektromagnetische Primärstrahlung entlang einer ersten Hauptabstrahlrichtung emittiert. Weiterhin ist ein von der Primärstrahlungsquelle beabstandetes Lumineszenzkonversionselement vorgesehen, das einen Kühlkörper und ein daran bzw. darauf angeordnetes Lumineszenzmaterial aufweist. Das Lumineszenzmaterial ist ausgeführt, zumindest einen Teil einer eingekoppelten Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung entlang einer zweiten Hauptstrahlrichtung hinsichtlich der Wellenlänge zu konvertieren. Somit dient das Lumineszenzmate rial dazu, eine Umwandlung eingekoppelter Primärstrahlung einer ersten Wellenlänge in eine Sekundärstrahlung einer zweiten Wellenlänge vorzunehmen. Die Halbleiterlichtquelle umfasst weiterhin ein Reflektorelement, welches zumindest im Strahlengang der Primärstrahlungsquelle angeordnet ist. Das Reflektorelement ist ausgeführt, die Primärstrahlung auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements zu lenken oder von dem Lumineszenzmaterial in Richtung der Primärstrahlungsquelle abgegebene Sekundärstrahlung umzulenken.In According to one embodiment, a semiconductor light source comprises a primary radiation source with a layer sequence, which in operation an electromagnetic Primary radiation along a first main emission emitted. Furthermore, one of the primary radiation source spaced luminescence conversion element provided, the one Heatsink and a thereto or arranged thereon Has luminescent material. The luminescent material is executed at least part of a coupled primary radiation in a secondary radiation along a second main radiation direction in terms of wavelength. Thus serves the Lumineszenzmate rial to a conversion of coupled primary radiation a first wavelength into a secondary radiation make a second wavelength. The semiconductor light source further comprises a reflector element, which at least in the beam path the primary radiation source is arranged. The reflector element is performed, the primary radiation on the luminescent material of the luminescence conversion element or of the luminescent material to redirect secondary radiation emitted in the direction of the primary radiation source.
Die Halbleiterlichtquelle erzeugt somit im Betrieb eine wellenlängenkonvertierte Sekundärstrahlung, beispielsweise eine Lumineszenzstrahlung. Durch die beabstandete Anordnung des Lumineszenzkonversionselements von der Primärstrahlungsquelle wird eine Erwärmung des Lumineszenzkonversionselements und des darin enthaltenen Materials durch die Primärstrahlungsquelle vermieden. Vielmehr kann durch den Kühlkörper des Lumineszenzkonversionsmaterials eine effiziente Kühlung des Lumineszenzmaterials erreicht werden, sodass die Konversions- bzw. Umwandlungseffizienz erhöht ist.The Semiconductor light source thus generates a wavelength-converted in operation Secondary radiation, for example a luminescence radiation. By the spaced arrangement of the luminescence conversion element of the primary radiation source becomes warming the luminescence conversion element and the material contained therein avoided by the primary radiation source. Rather, it can through the heat sink of the luminescence conversion material achieves efficient cooling of the luminescent material so that the conversion efficiency is increased.
Durch das Reflektorelement wird in der ersten Ausgestaltung erreicht, dass das von der Primärstrahlungsquelle entlang der ersten Hauptabstrahlrichtung abgestrahlte Licht im Wesentlichen vollständig auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements gelenkt wird. Dadurch wird es möglich, die Primärstrahlungsquelle und das Lumineszenzkonversionselement räumlich getrennt voneinander, insbesondere auf unterschiedlichen Kühlkörpern, anzuordnen. Beispielsweise kann die erste Hauptrichtung der Primärstrahlungsquelle im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Hauptstrahlrichtung liegen. Entsprechend kann auch die Primärstrahlungsquelle im Wesentlichen in einem rechten Winkel zu dem Lumineszenzkonversionse lement angeordnet sein. Das Reflektorelement reflektiert die von der Primärstrahlungsquelle abgegebene Primärstrahlung auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements.By the reflector element is achieved in the first embodiment, that from the primary radiation source along the first Main emission radiated light substantially completely directed to the luminescent material of the luminescence conversion element becomes. This makes it possible, the primary radiation source and the luminescence conversion element spatially separated from each other, in particular on different heat sinks, to arrange. For example, the first main direction of the primary radiation source are substantially perpendicular to the second main radiation direction. Accordingly, the primary radiation source substantially arranged at a right angle to the luminescence conversion element be. The reflector element reflects that from the primary radiation source emitted primary radiation to the luminescent material the luminescence conversion element.
In der zweiten Ausgestaltung wird eine Rückstrahlung der von dem Lumineszenzmaterial abgegebenen Sekundärstrahlung auf die Primärstrahlungsquelle durch das die Sekundärstrahlung umlenkende Reflektorelement vermieden. Die Primärstrahlungsquelle und das Lumineszenzelement können in dieser Ausgestaltung gegenüberliegend angeordnet sein.In the second embodiment is a re-radiation of The secondary radiation emitted by the luminescent material the primary radiation source through which the secondary radiation deflecting reflector element avoided. The primary radiation source and the luminescent element in this embodiment be arranged opposite.
In einer Weiterbildung kann das Reflektorelement sowohl im Strahlengang der Primärstrahlung als auch der Sekundärstrahlung angeordnet sein. Zudem kann es in der ersten oben genannten Ausgestaltung für die Sekundärstrahlung im Wesentlichen transparent sein. In diesem Fall reflektiert das Reflektorelement die Primärstrahlung und lenkt sie auf das Lumineszenzmaterial, während es transparent für die konvertierte Sekundärstrahlung ist. In der zweiten Ausgestaltung, bei der die Primärstrahlungsquelle und das Lumineszenzelement gegenüberliegend angeordnet sind, kann das Reflektorelement für die Primärstrahlung transparent sein und hinsichtlich der Sekundärstrahlung eine hohe Reflexion aufweisen.In a refinement, the reflector element both in the beam path the primary radiation as well as the secondary radiation be arranged. Moreover, in the first embodiment mentioned above substantially transparent to the secondary radiation be. In this case, the reflector element reflects the primary radiation and directs them to the luminescent material while making it transparent for the converted secondary radiation. In the second embodiment, wherein the primary radiation source and the luminescent element are arranged opposite one another, may be the reflector element for the primary radiation be transparent and in terms of secondary radiation have a high reflection.
In einer Ausgestaltung weist das Reflektorelement einen dichroitischen Spiegel auf, der ein Reflexionsverhalten in einem ersten Wellenlängenbereich besitzt und ein entsprechendes Transmissionsverhalten in einem zweiten Wellenlängenbereich. Dabei kann der erste Wellenlängenbereich ein Bereich der Primärstrahlung oder der Sekundärstrahlung sein und der zweite Wellenlängenbereich entsprechend ein Bereich der Sekundärstrahlung bzw. der Primärstrahlung.In In one embodiment, the reflector element has a dichroic Mirror, the reflection behavior in a first wavelength range has and a corresponding transmission behavior in a second Wavelength range. In this case, the first wavelength range an area of primary radiation or secondary radiation be and the second wavelength range accordingly Area of secondary radiation or primary radiation.
In einer weiteren Ausführung kann das Reflektorelement zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnete Reflektorflächen aufweisen. Beispielsweise kann das Reflektorelement ein Prisma sein mit einer teilweise verspiegelten Fläche. Die Ausgestaltung mit zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordneten Reflektorflächen erlaubt es, die erste und die zweite Hauptabstrahlrichtung im Wesentlichen parallel zueinander auszugestalten. Dadurch kann sowohl die Primärstrahlungsquelle als auch das davon beabstandete Lumineszenzkonversionsmaterial auf einem gemeinsamen Halteelement befestigt sein.In In another embodiment, the reflector element two substantially perpendicular to each other reflector surfaces exhibit. For example, the reflector element may be a prism with a partially mirrored surface. The design with two reflector surfaces arranged substantially perpendicular to one another allows the first and second Hauptabstrahlrichtung substantially to design parallel to each other. As a result, both the primary radiation source and the luminescence conversion material spaced therefrom be attached to a common holding element.
Für die Schichtenfolge der Primärstrahlungsquelle eignet sich ein Material, vorzugsweise ein Halbleitermaterial, welches elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Bereich erzeugt. Beispielsweise kann die Schichtenfolge Indiumgalliumnitrid InxGa1-xN bzw. Galliumnitrid in unterschiedlichen Mengenverhältnissen umfassen. Das Lumineszenzmaterial kann ausgestaltet sein, eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des sichtbaren Lichts durch eine Umwandlung von Strahlung kürzerer Wellenlänge, insbesondere von ultravioletter elektromagnetischer Strahlung zu erzeugen. Dadurch kann besonders effizient grünes Licht mit einer hohen Energiedichte erzeugt werden. Dies erlaubt die Herstellung von Projektoren oder Leuchtmitteln, die weißes Licht erzeugen.For the layer sequence of the primary radiation source, a material, preferably a semiconductor material, which generates electromagnetic radiation in the ultraviolet range is suitable. By way of example, the layer sequence may comprise indium gallium nitride In x Ga 1-x N or gallium nitride in different proportions. The luminescent material may be configured to generate a secondary radiation in the green region of visible light by a conversion of radiation of shorter wavelength, in particular of ultraviolet electromagnetic radiation. As a result, green light with a high energy density can be generated particularly efficiently. This allows the production of projectors or bulbs that produce white light.
In einer Ausgestaltung ist das Lumineszenzkonversionsmaterial auf einer Seite mit einem verspiegelten Material versehen. Dadurch wird sowohl eine eingekoppelte Primärstrahlung zurückgespiegelt, als auch von dem Lumineszenzmaterial erzeugte Sekundärstrahlung. Diese reflektierende Schicht ist so angeordnet, dass sie Primär- und Sekundärstrahlung im Wesentlichen parallel zur zweiten Hauptstrahlrichtung reflektiert.In In one embodiment, the luminescence conversion material is on a Side with a mirrored material provided. This will be both a mirrored back primary radiation, as well as secondary radiation generated by the luminescent material. This reflective layer is arranged to be primary and secondary radiation substantially parallel to the second main beam direction reflected.
Durch die Reflexion der Primärstrahlung wird zudem die Effizienz erhöht, da die reflektierte Primärstrahlung nun nochmals das Lumineszenzkonversionsmaterial durchquert. Das Lumineszenzmaterial kann in Form eines Einkristalls oder mit einem keramischen Material ausgebildet sein. Ebenso ist eine Einbettung des Lumineszenzmaterials in einen Kunststoff oder ein Silikat möglich.By The reflection of the primary radiation also becomes the efficiency increased because the reflected primary radiation now again traversing the luminescence conversion material. The luminescent material can in the form of a single crystal or with a ceramic material be. Likewise, an embedding of the luminescent material in a plastic or a silicate possible.
Zur Verbesserung der Einkopplung der Primärstrahlung in das Lumineszenzkonversionselement bzw. in das Lumineszenzmaterial kann die Oberfläche des Materials eine Aufrauung oder eine Strukturierung aufweisen.to Improvement of the coupling of the primary radiation into the Luminescence conversion element or in the luminescent material can the surface of the material is a roughening or structuring exhibit.
In einer anderen Ausgestaltung ist zwischen der Primärstrahlungsquelle und dem Reflektorelement ein erstes Linsensystem angeordnet. Alternativ bzw. zusätzlich kann auch zwischen dem Reflektorelement und dem Lumineszenzkonversionselement ein Linsensystem angeordnet sein. Das Linsensystem kann eine Sammellinse und/oder eine Zerstreuungslinse umfassen. Dadurch wird erreicht, dass von der Primärstrahlungsquelle abgestrahltes Licht parallel gerichtet wird. Die parallelen Lichtstrahlen werden von dem Reflektorelement auf das Konversionselement geleitet. Durch ein zweites Linsensystem zwischen dem Reflektorelement und dem Lumineszenzkonversionselement kann die parallele Primärstrahlung wieder gebündelt und konzentriert auf das Lumineszenzmaterial gerichtet werden.In another embodiment is between the primary radiation source and the reflector element arranged a first lens system. Alternatively or In addition, also between the reflector element and the luminescence conversion element may be arranged a lens system. The lens system may be a positive lens and / or a diverging lens include. This ensures that from the primary radiation source radiated light is directed in parallel. The parallel rays of light are directed from the reflector element to the conversion element. By a second lens system between the reflector element and the luminescence conversion element, the parallel primary radiation bundled again and concentrated on the luminescent material be directed.
Alternativ ist es möglich, über Zerstreuungslinsen die Strahlungsdichte auf dem Reflektor zu verringern und so diesen vor einer zusätzlichen Erwärmung zu schützen. Durch eine entsprechende Sammellinse wird das Licht wieder gebündelt und auf das Lumineszenzkonversionselement gelenkt.alternative is it possible to use dispersion lenses for the radiation density on the reflector to reduce and so this one in front of an additional To protect warming. By an appropriate Condenser lens, the light is focused back and on the luminescence conversion element directed.
Die Halbleiterlichtquelle eignet sich dazu, in eine Lichtquellenanordnung eingebaut zu werden, um mit weiteren Strahlungsquellen beispielsweise eine weiße Lichtquelle zu bilden.The Semiconductor light source is suitable for use in a light source arrangement to be installed to with other radiation sources such as a to form white light source.
Hierzu umfasst eine Lichtquellenanordnung neben der Halbleiterlichtquelle eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung einer dritten elektromagnetischen Strahlung sowie eine dritte Strahlungsquelle zur Erzeugung einer vierten elektromagnetischen Strahlung. Die dritte und vierte elektromagnetische Strahlung können jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen und darüber hinaus Wellenlängen unterschiedlich zu den Wellenlängen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung besitzen.For this includes a light source arrangement adjacent to the semiconductor light source a second radiation source for generating a third electromagnetic Radiation and a third radiation source for generating a fourth electromagnetic radiation. The third and fourth electromagnetic Radiation can each have different wavelengths and, moreover, wavelengths are different to the wavelengths of the primary radiation and the Have secondary radiation.
Beispielsweise können die zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung von Licht im blauen Bereich und die dritte Strahlungsquelle zur Erzeugung von Licht im roten Bereich ausgestaltet sein. Mit dem Lumineszenzkonversionselement der Halbleiterlichtquelle, welches zur Konvertierung von ultraviolettem Licht in grünes Licht ausgestaltet ist, lässt sich so weißes Licht mit einer hohen Intensität und Leuchtkraft erzeugen. Zusätzlich umfasst die Lichtquellenanordnung eine Reflektoranordnung, die in einem Strahlengang der Sekundärstrahlung, der dritten sowie der vierten Strahlung angeordnet und derart ausgestaltet ist, die Sekundärstrahlung, die dritte und die vierte Strahlung im Wesentlichen parallel zueinander auszurichten.For example may be the second radiation source for generating light in the blue area and the third radiation source for generating Light in the red area be designed. With the luminescence conversion element the semiconductor light source, which converts ultraviolet light designed in green light, can be so white Create light with a high intensity and luminosity. In addition, the light source arrangement comprises a reflector arrangement, in a beam path of the secondary radiation, the third and the fourth radiation is arranged and configured in such a way the secondary radiation, the third and the fourth radiation to align substantially parallel to each other.
Durch die gemeinsame Überlagerung der Sekundärstrahlung, der dritten sowie der vierten Strahlung wird ein kombinierter Farbton erzeugt.By the common superposition of the secondary radiation, the third as well as the fourth radiation becomes a combined hue generated.
Die verschiedenen Reflektoranordnungen der Lichtquellenanordnung und der Halbleiterlichtquelle erlauben es, unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen bezüglich der Anordnung der verschiedenen Strahlungsquellen zu treffen. Beispielsweise können die Primärstrahlungsquelle, die zweite und die dritte Strahlungsquelle parallel nebeneinander angeordnet sein. In einem Winkel hierzu, beispielsweise einem rechten Winkel, ist das Lumineszenzkonversionselement ausgeführt. Die zusätzliche Reflektoranordnung in dem Strahlengang kann ein oder mehrere dichroitische Spiegel umfassen, die jeweils ein Transmissions- bzw. Reflexionsverhalten für die entsprechende dritte bzw. vierte elektromagnetische Strahlung aufweisen.The various reflector arrangements of the light source arrangement and The semiconductor light source allow different geometrical configurations with regard to the arrangement of the different radiation sources hold true. For example, the primary radiation source, the second and the third radiation source parallel next to each other be arranged. At an angle to this, for example, a right Angle, the luminescence conversion element is executed. The additional reflector arrangement in the beam path may include one or more dichroic mirrors, respectively a transmission or reflection behavior for the corresponding have third and fourth electromagnetic radiation.
Darüber hinaus kann im Strahlengang der dritten und vierten Strahlungsquelle sowie im Strahlengang der Sekundärstrahlung ein lumineszierender Bildschirm, beispielsweise ein LCD-Bildschirm, vorgesehen werden. Dies erlaubt es, farbige Bilder nach einer gemeinsamen Überlagerung der verschiedenen elektromagnetischen Strahlungen zu erhalten.About that In addition, in the beam path of the third and fourth radiation source as well as in the beam path of the secondary radiation a luminescent screen, For example, an LCD screen can be provided. This allows it, colored pictures after a common overlay to get the different electromagnetic radiation.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:in the Further, the invention with reference to several embodiments explained in detail with reference to the drawings. Show it:
In den Ausführungsbeispielen und den Figuren tragen gleiche oder gleich wirkende Bestandteile die gleichen Bezugszeichen. Die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht zwingend als maßstabsgetreu zu betrachten. Beispielsweise können die einzelnen Elemente zur besseren Darstellbarkeit oder zum besseren Verständnis übertrieben groß und/oder dick dargestellt sein.In The embodiments and the figures bear the same or the same components have the same reference numerals. The Size ratios of in the figures Elements shown below are not necessarily to scale consider. For example, the individual elements exaggerated for better presentation or better understanding be shown large and / or thick.
Die
Primärstrahlungsquelle umfasst neben dem Kühlkörper
eine mit einer Halbleitertechnologie realisierte Leuchtdiode oder
ein Licht emittierendes Bauelement. Die Leuchtdiode
Die
Leuchtdiode kann beispielsweise als Dünnfilm-Leuchtdiodenchip
ausgebildet und auf einem Trägersubstrat angeordnet sein.
Dieses Trägersubstrat ist wiederum mit dem Kühlkörper
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip zeichnet sich durch mindestens eines der folgenden Merkmale aus:
- – an einer zu einem Trägersubstrat hingewandten Hauptfläche der strahlungserzeugenden Halbleiterschichtenfolge, bei der es sich insbesondere um eine strahlungserzeugende Epitaxie-Schichtenfolge handelt, ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
- – der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip weist ein Hilfsträgerelement auf, bei dem es sich nicht um das Wachstumssubstrat handelt, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen wurde sondern um ein separates Trägerelement, welches nachträglich an der gewachsenen Halbleiterschichtenfolge befestigt wird;
- – die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von zwanzig Mikrometer oder weniger, insbesondere im Bereich von zehn Mikrometer auf;
- – die Halbleiterschichtenfolge ist frei von einem Aufwachssubstrat. Hierbei bedeutet ”frei von einem Aufwachssubstrat” das ein gegebenenfalls zum Aufwachsen benutztes Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt oder zumindest stark gedünnt ist. Insbesondere ist es derart gedünnt, dass es für sich oder zusammen mit der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge alleine nicht freitragend ist. Der verbleibende Rest des stark gedünnten Aufwachssubstrats ist insbesondere als solches für die Funktion eines Aufwachssubstrats ungeeignet; und
- – die epitaktisch gewachsene Schichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, welche im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Halbleiterschichtenfolge führt. Sie weist damit ein möglichst ergodisch stöchiastisches Streuverhalten auf.
- A reflective layer, which reflects back at least a part of the electromagnetic radiation generated in the semiconductor layer sequence, is applied or formed on a main surface of the radiation-generating semiconductor layer sequence facing a carrier substrate, which is in particular a radiation-generating epitaxial layer sequence;
- The thin-film light-emitting diode chip has an auxiliary carrier element, which is not the growth substrate on which the semiconductor layer sequence has been epitaxially grown, but a separate carrier element which is subsequently attached to the grown semiconductor layer sequence;
- The semiconductor layer sequence has a thickness in the range of twenty micrometers or less, in particular in the region of ten micrometers;
- - The semiconductor layer sequence is free of a growth substrate. Herein, "free from a growth substrate" means that a growth substrate optionally used for growth is removed from the semiconductor layer sequence or at least heavily thinned. In particular, it is thinned so that it alone or together with the epitaxially grown layer sequence alone is not self-supporting. The remainder of the highly thinned growth substrate is particularly unsuitable as such for the function of a growth substrate; and
- - The epitaxially grown layer sequence contains at least one semiconductor layer having at least one surface which has a mixing structure, which leads in the ideal case to an approximately ergodic distribution of the light in the semiconductor layer sequence. It thus has as ergodically stoichiastic scattering behavior as possible.
Ein
Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise
in der
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ist in guter Näherung ein Lambertscher Oberflächenstrahler und ist demzufolge gut für Anwendungen in Lichtquellen geeignet, die eine hohe Leuchtkraft benötigen. Auch andere Leuchtanwendungen sind mit einem derartigen Strahler sehr gut realisierbar.One Thin-film LED chip is in good approximation a Lambert surface radiator and is therefore well suited for applications in light sources that have a need high luminosity. Also other lighting applications are very easy to implement with such a radiator.
Zur Lichterzeugung im ultravioletten Bereich eignen sich Halbleiterschichten aus einem III/V-Verbindungshalbleitermaterial, beispielsweise Indiumgalliumnitrid/Galliumnitrid. Dabei kann über eine stöchiometrische Verteilung InxGa1-xN des Verhältnisses x von Indium und Gallium die Wellenlänge der abgegebenen elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden. Die Wellenlänge kann dabei vom blau-grünen über den blauen Bereich bis in das nahe Ultraviolett eingestellt werden. Für die gezeigte Lichtquelle eignet sich daher auch eine Primärstrahlungsquelle, die Licht im blauen sichtbaren Bereich erzeugt.Semiconductor layers of a III / V compound semiconductor material, for example indium gallium nitride / gallium nitride, are suitable for generating light in the ultraviolet range. In this case, the wavelength of the emitted electromagnetic radiation can be adjusted via a stoichiometric distribution In x Ga 1-x N of the ratio x of indium and gallium. The wavelength can be adjusted from the blue-green over the blue range to the near ultraviolet. For the light source shown is therefore also a primary radiation source that generates light in the blue visible range.
In einer Ausgestaltung einer eine Leuchtdiode bildende Schichtenfolge weist diese auf einer der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche eine zumindest teilweise verspiegelte Schicht auf. Ein Brechungsindex dieser Spiegelschicht weist von dem Brechungsindex einer Schicht der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge ab, die der Spiegelschicht in Richtung zur Hauptabstrahlfläche nachfolgt und insbesondere an diese angrenzt. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Brechungsindex um den Wert 1 oder mehr abweichen. Die Spiegelschicht kann beispielsweise ein Metall enthalten aber auch ein Dielektrikum wie beispielsweise SiO2.In one embodiment of a layer sequence forming a light-emitting diode, this has an at least partially mirrored layer on a surface opposite the main emission surface. A refractive index of this mirror layer points away from the refractive index of a layer of the epitaxially grown layer sequence which follows and in particular adjoins the mirror layer in the direction of the main emission surface. As a non-limiting example, the refractive index may vary by 1 or more. The mirror layer may contain, for example, a metal but also a dielectric such as SiO 2 .
In einer Ausgestaltung kann die Spiegelschicht halbleitend oder elektrisch isolierend sein und einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR, Distributed Bragg Reflector) enthalten. Dieser kann mindestens ein Schichtenpaar mit alternierend hohem oder niedrigem Brechungsindex aufweisen.In In one embodiment, the mirror layer may be semiconducting or electrically be insulating and a distributed Bragg reflector (DBR, Distributed Bragg Reflector) included. This can be at least one layer pair with have alternating high or low refractive index.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es zweckmäßig sein, Kontaktelemente für die Schichtenfolge ebenfalls mit gespiegelten Flächen auszuführen. Zwischen den Kontaktelementen können isoliert ebenfalls verspiegelte Flächen vorgesehen sein, so dass die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegende Fläche einen verspiegelten Teilbereich von mehr als 50% der gesamten Fläche aufweist. In einer Variante kann die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche im Wesentlichen vollständig verspiegelt sein, wobei eine Mehrzahl von isolierten Öffnungen vorgesehen sein können, welche die Kontaktelemente zum Anschluss an die aktive Schicht bilden.In a further embodiment, it may be expedient to also carry out contact elements for the layer sequence with mirrored surfaces. Between the contact elements can iso It is also possible to provide mirrored surfaces such that the surface opposite the main emission surface has a mirrored portion of more than 50% of the total area. In a variant, the surface opposite the main emission surface may be substantially completely mirrored, wherein a plurality of isolated openings may be provided which form the contact elements for connection to the active layer.
Im
konkreten Ausführungsfall der
Das
Lumineszenzkonversionselement
Darüber hinaus kann zwischen dem Lumineszenzmaterial und dem Kühlkörper eine zusätzliche Spiegelschicht vorgesehen sein, die einerseits durch das Lumineszenzmaterial erzeugte Strahlung reflektiert und andererseits auch eingekoppelte Strahlung zurück in das Lumineszenzmaterial wirft. Dadurch wird eine Konversion einer eingekoppelten Strahlung verbessert und die Lichtausbeute der Sekundärstrahlung erhöht.About that in addition, between the luminescent material and the heat sink an additional mirror layer may be provided, on the one hand by the luminescent material reflects radiation generated and on the other hand also coupled radiation back into the luminescent material throws. This will cause a conversion of a coupled radiation improves and the luminous efficiency of the secondary radiation elevated.
Das Lumineszenzmaterial kann einen anorganischen Leuchtstoff besitzen, welcher Primärstrahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich konvertiert. Dabei ist der zweite Wellenlängenbereich von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden. Beispielsweise wird eine derartige Konversion durch eine Anregung der Primärstrahlung zur Fluoreszenz bzw. Phosphoreszenz des Leuchtstoffs erzeugt.The Luminescent material may have an inorganic phosphor, which primary radiation from a first wavelength range in an electromagnetic secondary radiation in a second Wavelength range converted. Here is the second wavelength range different from the first wavelength range. For example such a conversion is by excitation of the primary radiation produced for fluorescence or phosphorescence of the phosphor.
Ein für eine Konversion geeigneter Leuchtstoff umfasst ein Material aus der Gruppe, die Granatleuchtstoffe wie mit einem seltenen Erdmetall dotiertes Ytrium-Aluminium-Granat (YAG) enthält. Zur Umwandlung von ultravioletter oder blauer Strahlung in eine elektromagnetische Strahlung im grünen Wellenlängenbereich eignet sich beispielsweise SrAl2O4:Eu2+. Grün bis grüngelb emittierende Leuchtstoffe sind beispielsweise Chlorosilikate der Formel Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+, Mn2+, die mit Europium oder Mangan dotiert sind. Tiogalate der allgemeinen Formel AGa2S4:Eu2 +, Ce2+ eignen sich hierzu ebenso, wobei ”A” insbesondere aus der Gruppe: Kalzium, Strontium, Barium, Zink oder Magnesium ausgewählt ist.A convertible phosphor includes a material from the group containing garnet phosphors, such as rare earth doped yttrium aluminum garnet (YAG). For example, SrAl 2 O 4 : Eu 2+ is suitable for converting ultraviolet or blue radiation into electromagnetic radiation in the green wavelength range. Green to green-yellow emitting phosphors are, for example, chlorosilicates of the formula Ca 8 Mg (SiO 4 ) 4 Cl 2 : Eu 2+ , Mn 2+ , which are doped with europium or manganese. Tiogalates of the general formula AGa 2 S 4 : Eu 2 + , Ce 2+ are also suitable for this purpose, where "A" is selected in particular from the group: calcium, strontium, barium, zinc or magnesium.
Weitere
geeignete Lumineszenz-Konversionsmaterialien, wie etwa ein YAG:Ce
Pulver, sind z. B. in der
Das Lumineszenzmaterial liegt in Form eines Pulvers vor, welches in eine Fixierungsschicht, beispielsweise eine Siliziumoxid-Schicht oder eine temperaturresistente Silikatschicht, eingebracht ist. Dieses schützt das Lumineszenzmaterial vor mechanischer Beschädigung und erlaubt es, eine gleichmäßige Verteilung über eine vordefinierte Fläche zu erhalten.The Luminescent material is in the form of a powder, which in a fixing layer, for example, a silicon oxide layer or a temperature-resistant silicate layer is introduced. This protects the luminescent material from mechanical damage Damage and allows a uniform Distribution over a predefined area.
Um die Wärmeleitfähigkeit des Lumineszenzmaterials zu erhöhen, kann es zudem auch als pulverförmiger Leuchtstoff eingebracht in ein keramisches Material oder als Einkristall vorliegen. Beispielsweise ist das Lumineszenzmaterial auf eine keramische Oberfläche gesintert, wobei die keramische Oberfläche eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit an den Kühlkörper aufweist.Around the thermal conductivity of the luminescent material It can also be used as a powder Phosphor introduced into a ceramic material or as a single crystal available. For example, the luminescent material is ceramic Surface sintered, with the ceramic surface a particularly high thermal conductivity of the Has heat sink.
Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß
Der
vorliegende Reflektor
Des
Weiteren besitzt der Reflektor
Ein
derartiger Reflektor
Dichroitische Spiegel beruhen auf der Interferenz der Lichtwellen, die von einer Abfolge mehrerer dünner dielektrischer Schichten auf der Oberfläche reflektiert werden. Dadurch in terferieren die an den Grenzflächen der Schichten reflektierten und transmittierten Strahlanteile, sodass es zu einer Auslöschung im Falle der destruktiven Interferenz bzw. zu einer Verstärkung von Strahlen bestimmter Wellenlänge kommt. Durch eine Variation der Dicke, der Anzahl der Schichten sowie des verwendeten Materials kann das Reflexions- als auch das Transmissionsverhalten eines dichroitischen Spiegels genau gewählt werden.dichroic Mirrors are based on the interference of light waves from one Sequence of several thin dielectric layers on the Surface to be reflected. Thus, the interview in the reflected and transmitted at the interfaces of the layers Beam components, causing an extinction in the case destructive interference or amplification comes from rays of certain wavelengths. Through a variation the thickness, the number of layers and the material used can be the reflection as well as the transmission behavior of a dichroic Mirror are chosen exactly.
Dadurch erfolgt im Vergleich zu konventionellen Filtern bzw. Spiegeln keine Absorption von elektromagnetischer Strahlung innerhalb des Spiegelmaterials, sodass die thermische Belastung dichroitischer Spiegel nur sehr gering ist. Sie können so mit Vorteil vor allem bei einer hohen Strahlungsdichte verwendet werden.Thereby none in comparison to conventional filters or mirrors Absorption of electromagnetic radiation within the mirror material, so that the thermal load of dichroic mirrors only very is low. You can do so with advantage especially at a high radiation density can be used.
Die
Primärstrahlungsquelle mit der Leuchtdiode
Zur
Verbesserung der Effizienz einer Konversion sind weiterhin Maßnahmen
vorgesehen, sowohl die Primärstrahlung als auch die Sekundärstrahlung parallel
zu richten und auf die Reflektorfläche
Die
durch das Lumineszenzmaterial
Die Halbleiterlichtquelle im vorgeschlagenen Prinzip ermöglicht es, aus einer Primärstrahlung mit einer ersten Wellenlänge durch Konversion eine Sekundärstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge mit hoher Leuchtkraft und großer gleichmäßiger Leuchtverteilung zu erzeugen. Durch die räumlich getrennte Anordnung des Lumineszenzkonversionsmaterials auf der einen Seite und der Primärstrahlungsquelle auf der anderen Seite kann eine gleichmäßig gute Kühlung der beiden Elemente erreicht werden. Dadurch wird einerseits die Konversionseffizienz gesteigert und andererseits eine flexible Anordnung und Ausgestaltung in verschiedenen Anwendungen erreicht.The Semiconductor light source in the proposed principle allows it, from a primary radiation having a first wavelength by conversion a secondary radiation with a second Wavelength with high luminosity and large uniform To generate light distribution. Due to the spatially separated arrangement the luminescence conversion material on one side and the Primary radiation source on the other side can be a evenly good cooling of the two elements be achieved. As a result, on the one hand, the conversion efficiency increased and on the other hand, a flexible arrangement and design achieved in different applications.
Dabei
ist eine weitere Strahlungsquelle
Als
Materialien eignen sich beispielsweise Siliziumkarbid oder auch
Indiumgalliumnitrid/Galliumnitrid in verschiedenen stöchiometrischen
Relationen. Das von der Leuchtdiode
Eine
weitere vierte Strahlungsquelle
In
dieser Ausgestaltung ist die vierte Strahlungsquelle parallel zur
dritten Strahlungsquelle ausgerichtet, wodurch die Hauptabstrahlrichtung
im Wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung der Sekundärstrahlung
verläuft. Zur Umlenkung des von der Leuchtdiode
Der
Reflektor
In
dieser Ausgestaltungsform sind die Primärstrahlungsquelle
zusammen mit einer dritten und vierten Strahlungsquelle an einem
gemeinsamen Kühlkörper
Weiterhin
ist vor jeder Leuchtdiode
In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Lumineszenzkonversionselement
In
diesem Ausführungsbeispiel ist der Reflektor
Das
durch das Lumineszenzmaterial
Zur
Erzeugung von weißem Licht kann beispielsweise der Reflektor
Zur
Erzeugung von grünem Licht bietet es sich nun an, einerseits
Strahlung im ultravioletten Bereich als auch Strahlung im blauen
sichtbaren Bereich des Spektrums zu verwenden. Entsprechend erzeugt
die Leuchtdiode
In
der Kurve L270 ist die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge
für den Reflektor
In
diesem Ausführungsbeispiel sind vier Reflektorflächen
Auch
in diesem Ausführungsbeispiel ist vor jeder Primärstrahlungsquelle
sowie dem Lumineszenzkonversionselement
Die
einzelnen Kühlelemente
Auf
ihrer Oberfläche können die Kühlelemente
mit den entsprechenden Leuchtdiodenarrays
Zwischen
dem ”Color Cube”
Durch
eine Aufteilung in einzelne Bildelemente kann so für jeden
Teilbereich eines Flüssigkristallbildschirms, Pixel genannt,
eine unterschiedliche Helligkeit durch entsprechende Ausrichtung
der Flüssigkristalle erreicht werden. In der nach geschalteten ”Color
Cube”
Der
zur Umlenkung notwendige Reflektor
Die
von der Oberfläche
In
der Ausführungsform ist eine erste elektrisch leitende
und gleichzeitig reflektierende Schicht
Auf
der zweiten Halbleiterschicht
Transparente leitende Oxide (transparent conductive oxides, kurz „TCO”) sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO2 oder In2O3 gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn2SnO4, CdSnO3, ZnSnO3, MgIn2O4, GaInO3, Zn2In2O5 oder In4Sn3O12 oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.Transparent conductive oxides ("TCO" for short) are transparent, conductive materials, usually metal oxides, such as zinc oxide, tin oxide, cadmium oxide, Ti tanoxide, indium oxide or indium tin oxide (ITO). In addition to binary metal oxygen compounds such as ZnO, SnO 2 or In 2 O 3 also include ternary metal oxygen compounds such as Zn 2 SnO 4 , CdSnO 3 , ZnSnO 3 , MgIn 2 O 4 , GaInO 3 , Zn 2 In 2 O 5 or In 4 Sn 3 O 12 or mixtures of different transparent conductive oxides to the group of TCOs. Furthermore, the TCOs do not necessarily correspond to a stoichiometric composition and may also be p- or n-doped.
Eine
Zuführung der Ladungsträger erfolgt über
die an einer Seite angeordnete Zuleitung
Darüber
hinaus ist die Schichtenfolge mit einem transparenten dielektrischen
Material
Zudem
kann auf der dielektrischen Schicht
Gleichzeitig
wird eingekoppelte Primärstrahlung, die nicht im Konversionsmaterial
wellenlängenkonvertiert wird, durch die zusätzliche
Spiegelschicht
Die vorgeschlagene Erfindung ist durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst sie jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen der einzelnen Ausführungsbeispiele, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination in den Ausführungsbeispielen und/oder Ansprüchen nicht explizit angegeben ist.The proposed invention is not by the description based on the embodiments limited to these. Rather, it includes every new feature as well as any combination of features of the individual embodiments, too if this feature or this combination in the embodiments and / or claims are not explicitly indicated.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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DE102008011866B4 (en) | 2018-05-03 |
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