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Die
Erfindung betrifft ein Leuchtmodul mit einem Substrat, mindestens
einer in dem Substrat gebildeten Leuchtdiode und einer die Leuchtdiode
zumindest bereichsweise abdeckenden Schicht aus photolumineszierendem
Material.
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Stand der Technik
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Leuchtmodule
der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Das Substrat kann aus einem nicht-halbleitenden Material bestehen,
welches zumindest bereichsweise derart dotiert ist, das es einen
Halbleiter bildet. Bei entsprechender Dotierung ist in dem Substrat
die Leuchtdiode gebildet. Die Leuchtdiode kann alternativ auch auf dem
Substrat vorgesehen sein, und beispielsweise durch Entfernen des
die Leuchtdiode umgebenden Substrats gebildet sein. Eine der höchsten
Hürden bei der Herstellung von effizienten und energiesparenden
Leuchtmodulen liegt darin, dass die Lichtausbeute der bekannten
Leuchtmodule nicht ausreichend effizient ist. Obgleich die Quanteneffizienz
im Halbleiter, das heißt im dotierten Teil des Substrats, der
in diesem Fall die Leuchtdiode ausbildet, sehr hoch ist (etwa 80%),
beträgt der tatsächliche Lichtanteil, der die
Leuchtdiode verlassen kann, nur einen Bruchteil davon. Ein Grund
hierfür ist die hohe Differenz der Brechungsindizes zwischen
lichterzeugendem Halbleiter (etwa 3,5) und der umgebenden Luft (ungefähr
1). Bekannte Vorgehensweise zur Erhöhung der Effizienz
der Leuchtdiode sind das Aufrauhen der Oberfläche oder
das Aufbringen einer Beschichtung. Auf diese Weise kann die Differenz
der Brechungsindizes verringert werden um so den Anteil des von
der Oberfläche zurück in die Leuchtdiode reflektierten
Lichts zu mindern. Auf diese Weise kann man zu einem höheren
Lichtaustritt beziehungsweise einer höheren Lichtausbeute
gelangen. Insbesondere für eine weißes Licht erzeugende
Leuchtdiode ist der Anteil des austretenden blauen Lichts für
eine spätere Anre gung der Schicht aus photolumineszierendem
Material (der so genannten „Phosphor”-Schicht)
verantwortlich und trägt somit zu einer höheren
Gesamteffizienz des Leuchtmoduls bei. Die
WO 2005/106972 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines strahlungsemmitierenden Halbleiterchips
beziehungsweise einer Dünnschicht-Leuchtdiode. Dabei soll
die strahlungsemmitierende Fläche der Leuchtdiode, das
heißt die Oberfläche des Substrats, mikrostrukturiert
werden (durch Ausbilden von Rauhigkeitselementen), um die Lichtausbeute
der Leuchtdiode zu erhöhen. Sowohl das Aufrauhen der Oberfläche
als auch das Beschichten mit dem photolumineszierenden Material
führt jedoch immer noch nicht zu einer ausreichend hohen
Effizienz. Weiterhin kann bei dem Aufrauhen der Oberfläche
die Farbe des von der Leuchtdiode abgegeben Lichts nicht ausreichend
modifiziert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber
weist das Leuchtmodul mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen
den Vorteilauf, dass eine hohe Effizienz beziehungsweise Lichtausbeute
erreicht wird und gleichzeitig das Farbspektrum des von der Leuchtdiode
abgegebenen Lichts mittels des photolumineszierenden Materials eingestellt
werden kann. Dies wird erfindungsgemäß erreicht,
indem in einer Oberfläche des Substrats und/oder der Leuchtdiode
mindestens eine mit dem photolumineszierenden Material ausgefüllte Ausnehmung
vorgesehen ist. Die Leuchtdiode bildet dabei einen Bereich des Substrats,
der halbleitende Eigenschaften aufweist, also derart dotiert ist,
dass die Leuchtdiode vorliegt. Insbesondere kann die LED-Schicht
der Leuchtdichte durch Aufwachsen gebildet sein. Weitere Bereiche
des Substrats können auch nicht-halbleitend sein, also
keine Dotierung aufweisen. Zur Erhöhung der Gesamteffizienz
des Leuchtmoduls mit der Leuchtdiode und der Schicht aus photolumineszierendem
Material werden in das Substrat beziehungsweise dessen Oberfläche
Ausnehmungen, beispielsweise in Form von Rillen, eingebracht. Vorzugsweise
werden diese geätzt, beispielsweise mit einem „trenching”-Verfahren.
Sie können auch durch Sägen oder Lasern gebildet
sein. Diese Ausnehmung wird mit dem photolumineszierenden Material
gefüllt. Somit liegt das photolumineszierende Material
in der Ausnehmung vor und deckt die Leuchtdiode beziehungsweise
das Substrat zusätzlich zumindest bereichsweise ab. Die
Ausnehmung kann neben der Leuchtdiode, das heißt benachbart
zu dieser, und/oder im Bereich der Leuchtdiode vorgesehen sein.
In letzterem Fall ist die Ausnehmung aus dem dotierten Substrat
herausgearbeitet. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Leuchtdiode
und/oder das Substrat vollständig von dem photolumineszierenden
Material bedeckt ist. Das photolumineszierende Material ist dabei
unmittelbar auf die Leuchtdiode und/oder das Substrat aufgebracht,
insbesondere ohne dass ein über das Ausbilden der Ausnehmungen
hinausgehendes Aufrauhen der Oberfläche des Substrats beziehungsweise
der Leuchtdiode vorgesehen ist. Die Ausnehmung ist so in dem Substrat,
insbesondere auch in der Leuchtdiode, vorgesehen, dass Licht aus
der Leuchtdiode in seitlicher Richtung in diese eintreten kann.
Durch das in der Ausnehmung vorgesehene photolumineszierende Material
kann dieses Licht den Halbleiter beziehungsweise das Leuchtmodul
verlassen, womit die Effizienz des Leuchtmoduls erhöht
wird.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ausnehmung im Querschnitt
im Wesentlichen rechteckig, insbesondere quadratisch, ist. Die in
der Oberfläche des Substrats beziehungsweise in dem Substrat
vorgesehenen Ausnehmungen sind mit Vorteil regelmäßig
ausgebildet (regelmäßiges Muster). Dies kann beispielsweise
durch eine rechteckige beziehungsweise quadratische Formgebung vorgesehen
sein.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Ausnehmungen
vorgesehen sind, die insbesondere gleichmäßig
zueinander beabstandet sind. In dem Substrat kann also mindestens
eine Ausnehmung vorgesehen sein. Sind mehrere Ausnehmungen aus dem
Substrat herausgearbeitet, so können diese beispielsweise
gleichmäßig zueinander beabstandet sein. Auf diese
Weise kann in dem Substrat beziehungsweise in der Oberfläche
des Substrats ein Muster (Tiefenmuster) ausgearbeitet sein. Es können
ein oder mehrere Ausnehmungen benachbart zu der Leuchtdiode und/oder
ein oder mehrere Ausnehmungen im Bereich der Leuchtdiode vorgesehen
sein.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Leuchtdiode einen
zumindest bereichsweise umlaufenden Steg aufweist. Die Ausnehmung
beziehungsweise die Ausnehmungen sind also so vorgesehen, dass sie
zu einer Mitte der Leuchtdiode hin oder außerhalb der Leuchtdiode
vorgesehen sind. Auf diese Weise kann am Rand der Leuchtdiode ein Steg
aus halbleitendem Material, also dotiertem Substrat, gebildet sein.
Dieser dient zur vertikalen („Top-down”) Stromverteilung
in der Leuchtdiode beziehungsweise in dem die Leuchtdiode ausbil denden Halbleiter.
Auf diese Weise kann der Strom gleichmäßig in
der Leuchdiode verteilt werden, um eine gleichmäßige
Leuchtdichte zu erzielen. Vorteilhafterweise umläuft der
Steg die gesamte Leuchtdiode, um die gleichmäßige
Stromverteilung zu erreichen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Steg einen elektrischen
Anschluss der Leuchtdiode bildet. An dem Steg ist beispielsweise ein
Top-Metail-Kontakt vorgesehen. Somit kann der Steg als elektrischer
Anschluss der Leuchtdiode fungieren. Beispielsweise erfolgt die
elektrische Kontaktierung der Leuchtdiode mittels eines an dem Steg angebrachten
Bonding-Drahts.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Unterseite der
Leuchtdiode zumindest bereichsweise eine Metallschicht aufweist.
Die der Oberfläche des Substrats abgewandte Seite der Leuchtdiode,
das heißt deren Unterseite, ist mit der Metallschicht zumindest
bereichsweise versehen. Beispielsweise kann die gesamte Unterseite
die Metallschicht aufweisen, also großflächig
metallisiert sein. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass
lediglich Bereiche der Unterseite die Metallschicht aufweisen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Metallschicht einen
weiteren elektrischen Anschluss der Leuchtdiode bildet. Somit ist
der weitere elektrische Anschluss an der Unterseite der Leuchtdiode
vorgesehen. Die Leuchtdiode kann so beispielsweise über
den elektrischen Anschluss und den weiteren elektrischen Anschluss
mit Strom versorgt und somit zur Lichterzeugung verwendet werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ausnehmung eine
optisch aktive Schicht der Leuchtdiode durchgreift. Die Ausnehmungen
sind etwas tiefer, als die optisch aktive pn-Schicht des Halbleiters
(der Leuchtdiode) angeordnet ist. Die Ausnehmung ist also, ausgehend
von der Oberfläche des Substrats beziehungsweise des Halbleiters,
so ausgebildet, dass sie auch in der optisch aktiven Schicht der
Leuchtdiode vorliegt. Die Tiefe der Ausnehmung kann beispielsweise
30 μm bis 50 μm betragen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Korngröße
des photolumineszierenden Materials an die Abmessung der Ausnehmung
angepasst ist. Durch eine geeignete Anpassung der Korngröße
beziehungsweise der Körnung des photolumineszierenden Materials
(beispielsweise YAG/TAG oder Borsilikate) an die Abmessung der Ausnehmung
(beispielsweise die Breite) wird erreicht, dass das seitlich aus
der Leuchtdiode austretende Licht mit hoher Wahrscheinlichkeit auf
ein Korn des photolumineszierenden Materials trifft und so zu einer
erhöhten Lichtumwandlungsrate führt.
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Das
photolumineszierende Material ist ein Lichtkonversionsmaterial.
Mit dem photolumineszierenden Material werden die Ausnehmungen ausgefüllt
und die Leuchtdiode zumindest bereichsweise abgedeckt. Wie bereits
vorstehend beschrieben, kann dabei eine Anpassung der Körnung
des photolumineszierenden Materials an die Abmessung der Ausnehmung
erfolgen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Leuchtmodul für
eine LED-Beleuchtung und/oder im Automobilbereich verwendet wird.
Besonders in letzterer werden hohe thermische Anforderungen gestellt,
sodass es vorteilhaft ist, den Wirkungsgrad des Leuchtmoduls soweit
als möglich zu erhöhen, um eine Wärmefreisetzung
des Leuchtmoduls zu verringern.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert,
ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
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1 eine
seitliche Schnittansicht des Leuchtmoduls mit einem auf einer Metallschicht
angeordneten Substrat, in welchem Ausnehmungen vorgesehen sind,
die mit photolumineszierendem Material ausgefüllt sind,
und
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2 eine
Ansicht des aus 1 bekannten Leuchtmoduls von
oben.
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Die 1 zeigt
ein Leuchtmodul 1, mit einem Substrat 2, in welcher
eine Leuchtdiode 3 ausgebildet ist. Die Leuchtdiode 3 wird
von einer Schicht 4 aus photolumineszierendem Material
abgedeckt. In einer Oberfläche 5 des Substrats 2 sind
Ausnehmungen 6 vorgesehen, die ebenfalls mit dem photolumineszierenden
Material ausgefüllt sind. Die Schicht 4 erstreckt
sich also auch in die Ausnehmungen 6. Auf einer Unterseite 7 der
Leuchtdiode 3 ist eine Metallschicht 8 vorgesehen.
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Die
Leuchtdiode 3 wird von einem Steg 9 eingefasst,
der diese zumindest bereichsweise umläuft. Der Steg 9 stellt
also die äußersten Bereiche des zu der Leuchtdiode 3 gehörigen
Substrats 2 dar. Der Steg 9 kann einen elektrischen
Anschluss 10 der Leuchtdiode 3 bilden, während
die Metallschicht 8 einen weiteren Anschluss 11 darstellt.
Somit kann die Leuchtdiode 3 über die Anschlüsse 10 und 11 mit Strom
versorgt und somit zur Abgabe von Licht angeregt werden.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel bildet das zu der Leuchtdiode 3 gehörige
Substrat 2 auf seiner gesamten Höhe – also
bis zur Metallschicht 8 – eine optisch aktive
Schicht 12 der Leuchtdiode 3. Die Ausnehmungen 6 sind
so vorgesehen, dass die gesamte optisch aktive Schicht 12 der
Leuchtdiode 3 durchgriffen ist. Die Ausnehmungen 6 können
somit bis auf die Metallschicht 8 reichen. In einer weiteren Ausgestaltung
kann es überdies vorgesehen sein, dass die Ausnehmung 6 etwas
tiefer reicht als die optisch aktive Schicht 12. Dies ist
insbesondere dann vorgesehen, wenn die Leuchtdiode 3 nicht
von der gesamten Höhe des Substrats 2 gebildet
ist, sondern lediglich von einer oberen Schicht. Die optisch aktive Schicht 12 gibt
Licht ab, sobald die Leuchtdiode 3 mit Strom versorgt wird.
Das Licht wird zum Einen von einer Oberfläche 5 des
Substrats 2 über die Schicht 4 in eine
Umgebung 13 der Leuchtdiode 3 abgegeben. Zusätzlich
wird Licht von durch die Ausnehmungen 6 gebildeten Seitenflächen 14 des
Substrats 2 in die Ausnehmungen 6 abgestrahlt.
Da in den Ausnehmungen 6 ebenso wie über der Oberfläche 5 die Schicht 4 aus
photolumineszierendem Material, beispielsweise „Phosphor”,
vorgesehen ist, wird auch dieses Licht aus dem Leuchtmodul 1 in
die Umgebung 13 geleitet. Auf diese Weise wird die Lichtausbeute
des Leuchtmoduls 1 erhöht.
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Die 2 zeigt
eine Ansicht des Leuchtmoduls 1 von oben. Erkennbar ist
das Substrat 2, welches die Leuchtdiode 3 bildet
und in dessen Oberfläche 5 die Ausnehmungen 6 vorgesehen
sind. Nicht dargestellt ist an dieser Stelle die Schicht 4 aus
photolumineszierendem Material. Diese überdeckt, wie in 1 dargestellt,
die gesamte Oberfläche 5 und füllt auch
die Ausnehmungen 6 aus. Die Leuchtdiode 3 wird
von einem Steg 9 eingefasst, der um die gesamte Leuchtdiode 3 herumläuft.
An dem Steg 9 ist der Anschluss 10 beispielsweise
außen vorgesehen. Das photolumineszierende Material kann
eine Gel- beziehungsweise Phosphorschicht bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/106972
A1 [0002]