DE102010041236A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Das optoelektronisches Halbleiterbauelement verwendet einen additiven Leuchtstoff, der einen Flügelbereich der Emission der primären Strahlungsquelle unter 420 nm in sichtbare Strahlung verwandelt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung geht aus von einem optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Konversions-LED. Sie beschreibt auch ein zugehöriges Herstellverfahren.
  • Stand der Technik
  • Die US 5 998 925 offenbart eine typische weiße LED. Gerade bei derartigen Konversions-LEDs ist es wichtig, dass die primäre Emission relativ kurzwellig ist. Der Peak liegt typisch bei 440 bis 460 nm. Da die Halbwertsbreite meist in einem Bereich von 20 bis 40 nm liegt, emittiert eine derartige LED oft noch durchaus nennenswerte Anteile der Strahlung in einem Bereich unterhalb 420 nm. Diese Strahlung schafft allerdings Probleme, da sie wegen ihrer hohen Energie zerstörerisch auf die Bauteile der LED wirkt. Eine bisher angewendete Technik, um damit leben zu können ist der gezielte Einsatz von organischen Materialien mit einer erhöhten UV-Beständigkeit, wodurch aber nur eine begrenzte Materialauswahl zur Auswahl steht.
  • Darstellung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine verbesserte Lösung für das Problem der mangelnden UV-Beständigkeit von Materialien zu finden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem es den Nachteil in einen Vorteil umwandelt. Damit lässt sich nicht nur ein verbesserter UV-Schutz für organische Komponenten oder Bauteile der LED, sondern auch eine Erhöhung der Effizienz bei LEDs für Chips, deren Hauptemission bei > 420 nm liegt, erzielen.
  • Typisch ist ein Maximum der Emission z. B. bei ca. 440 nm (s. z. B. 2). Hierbei entsteht auch ein geringer Anteil (ca. 10%) kurzwellige UV-Strahlung mit Wellenlängen < 420 nm, die organische Bindungen wie C-C; C-H; C-O-O-H aufbricht und zu einer unerwünschten Verfärbung führt. Es ist möglich, diesen UV-Anteil durch einen geeigneten optischen Filter (z. B. Beschichtung) ”abzuschneiden”, also zu abosrbieren, und dadurch den Kunststoff zu schützen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die kurzwellige UV-STrahlung < 420 nm, insbesondere den Bereich von 380–420 nm, die optisch nicht nutzbar ist und nur zu einer unerwünschten Erwärmung führen würde, nicht durch Filter abzuschneiden. Statt dessen kann diese Strahlung durch einen geeigneten Leuchtstoff, dessen Absorption in diesem Bereich relativ hoch ist, in sichtbares Licht umgewandelt werden, wodurch nicht nur weniger Wärme entsteht, sondern auch die Effizienz verbessert wird.
  • Bevorzugt wird ein Leuchtstoff verwendet, der bei 380–420 nm effizient angeregt wird, insbesondere mit der Eigenschaft, daß seine QE und Absorption > 50%, vorzugsweise > 70%, idealerweise > 80% ist. Ideal ist, wenn dieser Leuchtstoff im Sichtbaren (> 420 nm) ähnlich dem Chip emittiert. Bei einer weißen LED ist dies eine zusätzliche Leuchtstoffkomponente, in Addition zur Hauptleuchtstoffkomponente (bezogen auf Lichtumwandlung) wie z. B. das an sich bekannte YAG:Ce oder ein anderer Granat. Die zusätzliche Leuchtstoffkomponente kann in der Farbe des Chips (”Chipfarbe”), also blau, emittieren. Geeignete Leuchtstoffe sind z. B. BAM oder SCAP. Der additive Leuchtstoff kann aber auch in der Farbe der Leuchtstoffhauptkomponente oder in anderen Farben emittieren. Dies geschieht beispielweise bei Anwendung von z. B. Silikaten oder Oxynitriden, die gelb oder grün emittieren. Eine Mischung der zusätzlichen Leuchtstoffkomponenten ist ebenfalls denkbar. Die zusätzliche (additive) Leuchtstoffkomponente kann als Schicht auf dem Reflektor und/oder auf dem Board aufgebracht sein.
  • Im Falle einer Chip-Emission mit Hauptemission > 420 nm, z. B. ca. 440 nm, kann der unvermeidlich entstehende Anteil an kurzwelliger UV-Strahlung, insbesondere im Bereich 380–420 nm, durch eine zusätzliche Leuchtstoffkomponente in nutzbare Strahlung größerer Wellenlänge umgewandelt werden. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung durch mehr sichtbares Licht und entsprechend weniger Wärmeentstehung. Außerdem ist in diesem Fall eine größere Zahl an Kunststoffen prinzipiell einsetzbar. Hinzu kommt als Option eine Verbesserung der Abstrahlcharakteristik der LED.
  • Die Erfindung eignet sich nicht nur für Konversions-LEDs, sondern auch für reine LEDs, insbesondere für blaue LEDs.
  • Ein besonders gut geeigneter additiver Leuchtstoff bzw. im Fall einer reinen LED eines einzigen, effizienzverbessernden Leuchtstoffs ist M10(PO4)6Cl2:Eu mit M = Sr, Ba, Ca allein oder in Kombination. Besonders geeignet ist Sr10(PO4)6Cl2:Eu. Die Dotierung Eu ersetzt dabei M, bevorzugt Sr, teilweise auf dessen Gitterplätzen. Eine bevorzugte Dotierung ist 3 bis 6 mol-% Eu.
  • Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:
    • 1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Lichtquelle, einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen, wobei die Lichtquelle primäre Strahlung emittiert, deren Peakwellenlänge im Bereich 420 bis 460 nm liegt, und die einen Flügel der primären Emission aufweist, der sich in den Bereich kleiner 420 nm erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung des Flügelbereichs oder eines Teils davon durch einen additiven Leuchtstoff in sichtbare Strahlung umgewandelt wird.
    • 2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff Strahlung im Bereich 380 bis 420 nm möglichst effizient in sichtbare Strahlung umwandelt.
    • 3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff den Peak seiner Emission im blauen bis gelben Spektralbereich, insbesondere bei 430 bis 565 nm, aufweist.
    • 4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Konversions-LED mit einem Hauptleuchtstoff ist.
    • 5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff auf dem Chip und/oder auf Seitenwänden des Gehäuses aufgetragen ist.
    • 6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff vor dem Hauptleuchtstoff auf dem Chip aufgetragen ist oder mit diesem vermischt ist.
    • 7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff ausgewählt ist aus der Gruppe M10(PO4)6Cl2:Eu mit M = Sr, Ba, Ca allein oder in Kombination, (BaxEu1-x)MgAl10O17 mit x = 0,3 bis 0,5, oder (Sr1-x-yCexLiy)2Si5N8.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
  • 1 ein typisches Spektrum der primären Emission einer LED in Abhängigkeit vom Betriebsstrom;
  • 2 die Emission und Absorption eines geeigneten Leuchtstoffs;
  • 3 eine LED, die einen additiven Leuchtstoff verwendet;
  • 4–7 je ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine LED, die einen additiven Leuchtstoff verwendet.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt das typische Emissionsspektrum einer LED, die als primäre Strahlungsquelle bei einer Konversions-LED verwendet werden kann. Meist handelt es sich dabei um eine LED vom Typ InGaN. Mit zunehmendem Betriebsstrom, typisch beträgt er 10 bis 40 mA (Kurve 1: 10 mA, Kurve 2: 20 mA; Kurve 3: 30 mA; Kurve 4: 40 mA), verschiebt sich der Peak der primären Emission in Richtung kürzerer Wellenlängen. Gleichzeitig nimmt der Anteil der primären Strahlung im kurzwelligen Flügel der Emission unterhalb 420 nm zu. Der Sinn der Erfindung ist, den Bereich unter 420 nm, vor allem im Bereich 380 bis 420 nm, nutzbar zu machen. Je nach Typ und Betriebsstrom kann der Anteil in diesem Fenster bei fast 10% liegen. Sinnvoll ist die Anwendung der Erfindung, wenn dieser Anteil wenigstens 1% beträgt. Der Anteil dieser Strahlung, der das Gehäuse der LED trifft, hängt stark vom Chip-Typ und der ggf. verwendeten Konversionstechnologie ab. Besonders hoch ist der Anteil bei den Chips, die blau emittieren und dabei nicht als Dünnfilm-Chips ausgelegt sind, also insbesondere aus dem Volumen emittierende Chips, bei denen die lichtemittierende Schicht auf einem Saphir-Substrat aufgebracht ist.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten Leuchtstoffs, der UV in blau konvertiert. Es handelt sich um (Sr0,96Eu0,04)10(PO4)6Cl2. Dieses Halophosphat absorbiert stark gerade im Fensterbereich 380 bis 420 nm und emittiert im Blauen, im wesentlichen in einem Bereich 430 bis 490 nm.
  • 3 zeigt schematisch eine Prinzipskizze einer LED 1. Die LED weist ein Gehäuse 2 auf, in der ein Chip 3 vom Typ InGaN, der blau emittiert (Peak bei etwa 440 bis 450 nm) sitzt. Dabei hat das Gehäuse 2 der LED ein Board 4 und reflektierende Seitenwände 5.
  • Auf den Chip ist direkt ein Haupt-Leuchtstoff, insbesondere YAG:Ce oder ein anderer Granat, Orthosilikat oder Sion, Nitridosilikat, Sialon etc. aufgetragen. Innen auf den Seitenwänden 5 ist ein additiver Leuchtstoff wie das o. e. Halophosphat aufgetragen. Weitere mögliche Leuchtstoffe sind (EA1-x-yCexLiy)2Si5N8 mit EA = Sr, Ba, Ca, (BaxEu1-x)MgAl10O17 insbesondere mit hohen Eu-Konzentrationen x = 0,3 bis 0,5 oder aber im nahen UV anregbare Aluminate wie Sr1-xEux)Al12O19.
  • Gemäß 4 ist der additive Leuchtstoff zusätzlich auch auf den Chip 3 aufgetragen. Vorzugsweise liegt er als eigene Schicht 8 unterhalb der Hauptkomponente 6.
  • Er kann aber auch mit der Hauptkomponente in einer einzigen Schicht 10 vermischt sein, siehe 5.
  • Der zusätzliche Leuchtstoff kann als Pulverschicht vorliegen oder in einer Matrix fixiert sein. Diese Matrix kann organisch oder anorganisch sein und ist vorzugsweise UV-stabil. Geeignet sind z. B. Silikon oder Glas. Möglich ist auch eine Fixierung in der Oberfläche des Kunststoffreflektors durch leichte Erwärmung. Die Aufbringung erfolgt durch eines der gängigen, dem Fachmann bekannten Verfahren wie z. B. Sprühen, Siebdruck, Dispensen etc. und ggf. einer angepassten Temperaturbehandlung.
  • Wählt man bei einer weißen LED als Zusatzkomponente einen blau emittierenden Leuchtstoff, so kann der oft auftretende „gelbe” Ring durch Mischen mit der blauen Emission vom Reflektor zumindest teilweise in weißes Licht umgewandelt werden und dadurch abgeschwächt werden. Sofern die Leuchtstoffzusatzkomponente ähnliche reflektierende Eigenschaften wie das Reflektormaterial besitzt, kann dieses ganz oder teilweise dadurch ersetzt werden. In den zusätzlichen Leuchtstoff können auch Partikel eingemischt sein, die Licht reflektieren und/oder streuen.
  • Idealerweise werden additive Leuchtstoffe (”UV-Konverter”) eingesetzt, welche die Strahlung im Bereich 380–420 nm mit einer hohen Quanteneffizienz > 80%, vorzugsweise > 90%, umwandeln. Um eine hohe Konversionseffizienz zu erreichen, sollte außerdem die Absorption der Beschichtung im Wellenlängenbereich 380–420 nm möglichst hoch sein.
  • Bei Konversions-LEDs ist es vorteilhaft für die Effizienz der LED, wenn der betreffende UV-Konverter im Bereich der Nutzstrahlung der LED (420 nm bis ggf. 780 nm) möglichst wenig absorbiert.
  • Ausführungsbeispiele eines additiven Konverters für die Konversion des UV-Anteils in blaues Licht sind z. B. hocheffiziente Leuchtstoffe vom Typ (Ba0.4Eu0.6)MgAl10O17, (Sr0,96Eu0,04)10(PO4)6Cl2. Ein Ausführungsbeispiel eines additiven Konverters für die Konversion des UV-Anteils in gelbes Licht ist z. B. (Sr1-x-yCexLiy)2Si5N8. Insbesondere liegt hier x und y jeweils im Bereich 0,1 bis 0,01. Besonders geeignet ist ein Leuchtstoff (Sr1-x-yCexLiy)2Si5N8, bei dem x = y.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer LED 1, die den sog. gelben Ring vermeidet. Dabei sitzt wieder auf dem oder auch vor dem Chip 3 der Hauptleuchtstoff, der insbesondere gelb emittiert, in einer Schicht 6. Frontal tritt durch Mischung der blauen primären und gelben sekundären Strahlung weißes Licht aus, Pfeil a. Seitlich aus der Konversionsschicht tritt statt weißem eher gelbes Licht aus (Pfeil b), weil das Streuverhalten und Emissionsverhalten des Leuchtstoffs bzw. der Matrix, die den Leuchtstoffe enthält, differiert. Das gelbliche Licht trifft vornehmlich auf die Seitenwände 5 und mischt sich mit dem blauen Licht des dort aufgetragenen additiven Leuchtstoffs aus der Schicht 7, so dass auch in einem äußeren Ringbereich (Pfeil c) weißes Licht emittiert wird anstatt dass der unerwünschte gelbe Ring auftritt.
  • 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer LED 1, (das Bauelement kann im Prinzip auch ein Laser sein), bei dem als Lichtquelle ein reiner InGaN-Chip 2 ohne Hauptleuchtstoff verwendet wird. Er emittiert blau ähnlich wie in 1 gezeigt. Diesem ist ein additiver Leuchtstoff 7, und zwar ohne jeden Hauptleuchtstoff, direkt vorgeschaltet, hier BAM, der den Flügelbereich der primären Emission in blaue Strahlung konvertiert, so dass eine besonders effektive blaue LED realisiert ist. Die Seitenwände sind hier einfach wie an sich bekannt mit einer reflektierenden Beschichtung 15 versehen.
  • Wesentliche Punkte der Erfindung sind:
    Das optoelektronisches Halbleiterbauelement verwendet einen additiven Leuchtstoff, der einen Flügelbereich der Emission der primären Strahlungsquelle unter 420 nm in sichtbare Strahlung verwandelt. Insbesondere gilt:
    • • Chip-Emission mit Hauptemission > 420 nm, insbesondere 425 bis 450 nm, z. B. ca. 440 nm
    • • entstehendes kurzwelliges UV < 420 nm, vorzugsweise 380–420 nm soll nicht durch ein Filter abschnitten werden, sondern in Licht umgewandelt werden. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung durch mehr sichtbares Licht und dadurch geringere Wärmebildung.
    • • bevorzugt ist ein zusätzlicher blau emittierender Leuchtstoff, der bei 380–420 nm möglichst effizient angeregt wird und ähnlich dem Chip emittiert, insbesondere (Sr0,96Eu0,04)10(PO4)6Cl2.
    • • geeignet sind auch andere zusätzliche Leuchtstofffarben, insbesondere gelb emittierende Leuchtstoffe, die auch bei 380–420 nm effizient angeregt wird; sie sind als eigene Variante oder in Kombination mit dem blauen additiven Leuchtstoff geeignet.
    • • Ziel ist die Vermeidung oder Minderung der primären Strahlung < 420 nm, vorzugsweise im Bereich 380–420 nm, weil diese am effektivsten organische Bindungen (C-C; C-H; C-O-O-H) aufbricht, was gerade vermieden werden soll. Das führt zu einer größeren Vielfalt der Auswahl für das Gehäuse nutzbarer Kunststoffe und ggf. zur Verwendung kostengünstigerer Kunststoffe. Diese können insbesondere als Board einsetzbar sein. Alternativ führt dies zu einer längeren Lebensdauer der LED
    • • Aufbringung von additiven blau und/oder gelb emittierenden Leuchtstoffen erfolgt vorzugsweise im Reflektorbereich des Boards allein oder in Verbindung mit Reflektormaterial (z. B. TiO2) gemäß 3
    • • in Ergänzung zu 6. kann die Aufbringung auch auf dem Chip, unterhalb des Hauptleuchtstoffs (z. B. YAG) gemäß 4 oder in diesen gemischt gemäß 5 erfolgen.
    • • des weiteren ist die Verringerung oder Vermeidung des „gelben Rings” durch blaue Emission vom Reflektor gemäß 6 möglich.
    • • sofern die additiven blau und/oder gelb emittierenden Leuchtstoffe ähnlich reflektierende Eigenschaften wie das Reflektormaterial besitzen, kann dieses ganz oder teilweise dadurch ersetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5998925 [0002]

Claims (7)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Lichtquelle, einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen, wobei die Lichtquelle primäre Strahlung emittiert, deren Peakwellenlänge im Bereich 420 bis 460 nm liegt, und die einen Flügel der primären Emission aufweist, der sich in den Bereich kleiner 420 nm erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung des Flügelbereichs oder eines Teils davon durch einen additiven Leuchtstoff in sichtbare Strahlung umgewandelt wird.
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff Strahlung im Bereich 380 bis 420 nm möglichst effizient in sichtbare Strahlung umwandelt.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff einen Peak seiner Emission im blauen bis gelben Spektralbereich, insbesondere bei 430 bis 565 nm, aufweist.
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Konversions-LED mit einem Hauptleuchtstoff ist.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff auf dem Chip und/oder auf Seitenwänden des Gehäuses aufgetragen ist.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff vor dem Hauptleuchtstoff auf dem Chip aufgetragen ist oder mit diesem vermischt ist.
  7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Leuchtstoff ausgewählt ist aus der Gruppe M10(PO4)6Cl2:Eu mit M = Sr, Ba, Ca allein oder in Kombination, (BaxEu1-x)MgAl10O17 mit x = 0,3 bis 0,5, oder (Sr1-x-yCexLiy)2Si5N8.
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