DE102011104302A1

DE102011104302A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement und Verwendung eines derartigen Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102011104302A1
Application number: DE201110104302
Authority: DE
Inventors: Dr. Cui Hailing; Ion Stoll
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012171721A1

Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement angegeben, das ein Trägersubstrat (2), einen ersten Halbleiterchip (1a) und einen zweiten Halbleiterchip (1b) umfasst. Der erste Halbleiterchip (1a) ist geeignet, Strahlung im UV-Wellenlängenbereich zu emittieren. Der zweite Halbleiterchip (1b) ist geeignet, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren. Dem ersten Halbleiterchip (1a) ist ein erster Konverter (3a) nachgeordnet, der geeignet ist, die UV-Strahlung in grüne Strahlung zu konvertieren. Dem zweiten Halbleiterchip (1b) ist ein zweiter Konverter (3b) nachgeordnet, der geeignet ist, blaue Strahlung in rote Strahlung zu konvertieren. Weiter ist eine Verwendung für ein derartiges Bauelement angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, das einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip umfasst. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines derartigen Halbleiterbauelements.
Zur Hinterleuchtung von Bildschirmen wie beispielsweise Fernsehern und Computermonitoren werden oftmals LEDs benutzt, denen in Abstrahlrichtung LCD-Filter nachgeschaltet sind. Dabei gibt es unterschiedliche Anforderungen an die LEDs. Zum einen werden eine maximale Helligkeit der LEDs und zum anderen ein großer Farbgamut erwartet. Die herkömmlichen, den LEDs nachgeschalteten LCD-Filtersysteme weisen meist drei Farbfilter (blau, grün und rot) oder vier Farbfilter (blau, grün, gelb und rot) auf. Dabei besitzen die LCD-Farbfilter eine FWHM (full width half maximum) im Bereich von typischerweise 70 nm bis 120 nm. Die gesamte Transmission des LCD-Filtersystems ergibt sich aus der Superposition der einzelnen Farbfilter, wobei jedoch nachteilig nicht in allen Bereichen des sichtbaren Spektrums eine vollständige Transmission gewährleistet werden kann. Das führt dazu, dass bei einem breitbandigen Spektrum der LEDs, die die Farbfilter hinterleuchten, ein Anteil der emittierten Strahlung von den einzelnen Farbfiltern absorbiert wird. Dadurch ergibt sich nachteilig eine nicht maximale Helligkeit der Hinterleuchtung, da nicht der komplette Anteil der von den LEDs emittierten Strahlung die Farbfilter passieren kann. Es geht also bereits eine beträchtliche Lichtmenge der LEDs vor den Filtern verloren.
Um nun diese breitbandigen Emissionsspektren der LEDs zu reduzieren, ist bekannt, zur Hinterleuchtung verschiedenfarbige LEDs zu verwenden, die jeweils blaue, grüne oder rote Strahlung emittieren. Hierbei findet kein Konverter Verwendung, da herkömmlicher bekannte Konverter das Emissionsspektrum der LEDs nachteilig aufweitet. Eine alternative Möglichkeit besteht in der Verwendung einer blauen LED, dessen Licht mittels eines Konverters zum Teil in grünes Licht umgewandelt wird. Zusätzlich zu dieser blauen LED wird eine rote LED verwendet, sodass weißes Licht erzeugt werden kann. Alternativ ist weiter bekannt, eine UV-emittierende LED zu verwenden, deren Licht in blaues, grünes und rotes Licht konvertiert wird. Weiter alternativ ist bekannt, eine blaue LED zu verwenden, der zwei verschiedene Konverter nachgeschaltet sind, sodass die von der LED emittierte blaue Strahlung in grüne und rote Bestandteile des Lichts konvertiert werden.
Derartige Bauelemente weisen jedoch nachteilig aufgrund der großen Anzahl der einzelnen LED-Chips große Ausdehnungen auf, was insbesondere bei Hinterleuchtungsanwendungen nachteilig ist. Die LED-Chips mit nachgeschaltetem Konverter weisen nachteilig ein breitbandiges Emissionsspektrum auf, sodass hierbei eine beträchtliche Lichtmenge der LEDs von dem Filtersystem absorbiert wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das die oben genannten Nachteile vermeidet, wodurch sich vorteilhafterweise ein Bauelement ermöglicht, das zur Hinterleuchtung geeignet ist, wobei das Emissionsspektrum des Bauelements an LCD-Filter abgestimmt ist, sodass vorteilhafterweise keine oder kaum Verluste durch Absorption am LCD-Filtersystem auftreten.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird diese Aufgabe durch eine Verwendung eines derartigen Halbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Halbleiterbauelements und dessen Verwendung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauelement ein Trägersubstrat, einen auf dem Trägersubstrat angeordneten ersten Halbleiterchip und einen auf dem Trägersubstrat angeordneten zweiten Halbleiterchip auf. Der erste Halbleiterchip weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht auf, die geeignet ist, Strahlung im UV-Wellenlängenbereich zu emittieren. Der zweite Halbleiterchip weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht auf, die geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren. Dem ersten Halbleiterchip ist in Abstrahlrichtung ein erster Konverter nachgeordnet, der geeignet ist, Strahlung im UV-Wellenlängenbereich in Strahlung im grünen Wellenlängenbereich zu konvertieren. Dem zweiten Halbleiterchip ist in Abstrahlrichtung ein zweiter Konverter nachgeordnet, der geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im roten Wellenlängenbereich zu konvertieren.
Die Strahlung des UV-emittierenden Halbleiterchips wird demnach mit einem Konverter in grüne Strahlung konvertiert. Vorteilhafterweise wird ein Konverter gewählt, der eine sehr schmalbandige Emission besitzt. Die blaue Strahlung des zweiten Halbleiterchips wird anteilig durch einen Konverter in rote Strahlung umgewandelt. So kann ein Emissionsspektrum des Bauelements realisiert werden, das an die herkömmlichen LCD-Filtersysteme abgestimmt ist, wodurch vorteilhafterweise keine oder kaum Verluste durch Absorption am LCD-Filter auftreten. Hierzu liegt die Peakwellenlänge des Emissionsspektrums mit Vorteil im Maximum der Transmission der LCD-Farbfilter. Dadurch ermöglicht sich eine maximale Helligkeit zur Hinterleuchtung von beispielsweise Bildschirmen.
Ein Konverter, der geeignet ist, UV-Strahlung in grüne Strahlung zu konvertieren, besitzt mit Vorteil ein geringes Quenching (strahlungslose Desaktivierung) bei hohen Temperaturen. Zudem tritt vorteilhafterweise lediglich ein kleiner Stokes-Shift auf, was zu geringen Verlusten bei der Strahlungskonversion führt. Insbesondere besitzt ein UV-grün Konverter einen kleineren Stokes-Shift im Vergleich zu UV-rot Konvertern. Des Weiteren kann durch die Verwendung eines schmalbandigen Konverters mit Vorteil ein sehr hoher Farbgamut erzielt werden. Zudem kann eine Reabsorption des grünen Lichts durch den roten Konverter vermieden werden.
Das Halbleiterbauelement ist ein optoelektronisches Bauelement, das die Umwandlung von elektrisch erzeugten Daten oder Energien in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Das Halbleiterbauelement weist zwei optoelektronische Halbleiterchips auf, vorzugsweise strahlungsemittierende Halbleiterchips. Die Halbleiterchips sind bevorzugt LEDs, besonders bevorzugt Dünnfilm-LEDs. Bei Dünnfilm-LEDs ist insbesondere ein Aufwachssubstrat, auf dem Schichten des Halbleiterchips epitaktisch aufgewachsen worden sind, teilweise oder vollständig abgelöst worden.
Die Halbleiterchips weisen jeweils einen Halbleiterschichtenstapel auf, in dem die aktive Schicht enthalten ist. Die aktive Schicht enthält vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der Halbleiterschichtenstapel der Halbleiterchips enthält jeweils vorzugsweise ein III/V-Halbleitermaterial. III/V-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten, über den sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich besonders geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform konvertiert der zweite Konverter einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip emittierten Strahlung in Strahlung im roten Wellenlängenbereich, wobei der zweite Konverter zudem einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip emittierten Strahlung unkonvertiert transmittiert.
Unkonvertiert transmittiert bedeutet hierbei, dass die von dem zweiten Halbleiterchip emittierte Strahlung ohne Beeinflussung durch den zweiten Konverter hindurch tritt, sodass dieser Anteil der Strahlung als blaue Strahlung den zweiten Konverter verlässt. Der zweite Konverter ist demnach nicht zu einer vollständigen Konversion geeignet, sondern konvertiert lediglich einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip emittierten Strahlung.
Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel konvertiert der erste Konverter die von dem ersten Halbleiterchip emittierte Strahlung vollständig in Strahlung im grünen Wellenlängenbereich. Der erste Konverter ist demnach zu einer Vollkonversion geeignet. Die aus dem ersten Konverter austretende Strahlung weist demnach keinen oder kaum einen UV-Anteil auf. Hierbei ist insbesondere nicht zu verstehen, dass nicht ein geringer Anteil der UV-Strahlung unkonvertiert durch den ersten Konverter hindurch tritt. Unter einer Vollkonversion ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest 90%, bevorzugt mehr als 95% der von dem ersten Halbleiterchip emittierten Strahlung vom ersten Konverter in grüne Strahlung umgewandelt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Konverter und der zweite Konverter Phosphor-Konverter, die Eu²⁺ als Aktivatoratome oder Eu²⁺ als Sensibilisator und Mn²⁺ als Aktivatoratome zur Lichtkonversion enthalten. Derartige Phosphorkonverter besitzen mit Vorteil eine sehr schmalbandige Emission, was insbesondere zur Hinterleuchtung vorteilhaft ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Konverter ein BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺, Mn²⁺ basierter Konverter. Die von dem ersten Halbleiterchip emittierte Strahlung wird mit einem derartigen Konverter vollständig in grüne Strahlung umgewandelt, wobei gleichzeitig dieser Konverter eine schmalbandige Emissionslinie mit einer geringen Halbwärtsbreite aufweist. Ein Halbleiterchip mit einem derartig nachgeschalteten Konverter eignet sich aufgrund seiner schmalbandigen Emission zur Hinterleuchtung von LCD-Filtersystemen. Insbesondere weisen UV-emittierende Halbleiterchips mit derartig nachgeschalteten Konverter nach Durchtritt durch die LCD-Farbfilter eine optimale Helligkeit und einen großen Farbgamut auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Konverter ein (SR, Ca)AlSiN₃:Eu²⁺ basierter Konverter oder ein (Ca, Ba, Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺ basierter Konverter. Auch eine derartige Kombination eines blau emittierenden Halbleiterchips mit einem derartigen Konverter zeichnet sich durch eine schmalbandige Emission aus, wodurch Absorptionsverluste in den LCD-Filtersystemen reduziert werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Konverter und/oder der zweite Konverter als Konverterplättchen ausgebildet. Konverterplättchen weisen beispielsweise ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten Konverterpartikeln auf. Mittels beispielsweise eines Layertransfers können die separat hergestellten Konverterplättchen auf die Halbleiterchips aufgebracht werden.
In einer alternativen Ausgestaltung sind der erste Konverter und/oder der zweite Konverter als Volumenverguss ausgebildet. In diesem Fall ist der Halbleiterchip mit einer Vergussmasse bevorzugt vollständig umhüllt, die eingebettete Konverterpartikel enthält. Der Volumenverguss ist dabei insbesondere einer Strahlungsaustrittsseite des Halbleiterchips nachgeordnet.
Zudem besteht die Möglichkeit, dass der erste Halbleiterchip beispielsweise ein nachgeordnetes Konverterplättchen und der zweite Halbleiterchip beispielsweise einen umhüllenden Volumenverguss aufweisen oder umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Konverter und/oder der zweite Konverter als Sedimentationsschicht ausgebildet. In diesem Fall ist direkt auf dem Halbleiterchip eine dünne Schicht Konverterpartikel aufgebracht, die nicht in einem Matrixmaterial enthalten sind. Die Konverterpartikel liegen auf der Chipoberfläche somit als Reinform vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Konverter und/oder der zweite Konverter mittels Elektrophorese auf die Halbleiterchips aufgebracht. Dieses Aufbringverfahren ermöglicht eine vorteilhafterweise gleichmäßige Verteilung der Konverterpartikel auf der Strahlungsaustrittsfläche des oder der Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauelement weiter ein Gehäuse mit zumindest einer Kavität auf, in der die Halbleiterchips angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement ist somit in diesem Fall als LED-Package ausgebildet. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass jedem Halbleiterchip in dem Gehäuse eine Kavität zugeordnet ist, wobei somit jeder Halbleiterchip in einer separaten Kavität des Gehäuses angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauelement weiter ein optisches Element auf, das den Halbleiterchips in Abstrahlrichtung nachgeordnet ist. In diesem Fall muss das Halbleiterbauelement nicht zwangsweise ein Gehäuse aufweisen. Die Halbleiterchips können hierbei beispielsweise auf einer planaren Leiterplatte montierst sein.
Vorzugsweise wird in das optische Element die von dem ersten Halbleiterchip und die von dem zweiten Halbleiterchip emittierte und die von den Konvertern konvertierte Strahlung eingekoppelt. In dem optischen Element können so die Spektralbestandteile der konvertierten und unkonvertierten Strahlungen gemischt werden, sodass mit Vorteil weißes Licht entsteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optische Element ein Lichtleiter. Dieser Lichtleiter ist vorzugsweise zur Hinterleuchtung von Fernsehern und Computermonitoren oder anderen Bildschirmen bevorzugt geeignet. Vorzugsweise ist der Lichtleiter derart ausgebildet, dass eine homogene Abstrahlcharakteristik aus dem Lichtleiter erzielt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Halbleiterbauelement als Hinterleuchtung verwendet. Vorzugsweise wird eine Mehrzahl derartiger Halbleiterbauelemente zur Hinterleuchtung eines Bildschirms verwendet. Hierzu werden beispielsweise die von den einzelnen Halbleiterbauelementen emittierten Strahlungen in einen gemeinsamen Lichtleiter eingekoppelt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 bis 4 jeweils einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
5 ein Diagramm, das die Transmission von LCD-Farbfiltern und das Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Abhängigkeit der Wellenlänge darstellt, und
6 ein Diagramm, das die Transmission von LCD-Farbfiltern und das Emissionsspektrum eines herkömmlichen Halbleiterbauelements in Abhängigkeit der Wellenlänge darstellt.
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile wie beispielsweise Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In 6 ist ein Diagramm gezeigt, in dem die Transmission T gegen die Wellenlänge λ aufgetragen ist. In dem Diagramm sind Transmissionskurven herkömmlicher LCD-Farbfilter gezeigt, insbesondere dreier Farbfilter, ein blauer 6a, ein grüner 6b und ein roter 6c. Zudem ist das Emissionsspektrum 7 eines herkömmlichen Bauelements gezeigt, das zur Hinterleuchtung der Farbfilter herkömmlicherweise Verwendung findet.
Das Transmissionsspektrum 6a zeigt die Durchlässigkeit abhängig von der Wellenlänge eines blauen Farbfilters, das Transmissionsspektrum 6b zeigt die Durchlässigkeit abhängig von der Wellenlänge eines grünen Farbfilters und das Transmissionsspektrum 6c die Durchlässigkeit eines roten Farbfilters. Die LCD-Farbfilter 6a, 6b und 6c besitzen jeweils eine FWHM (full width half maximum) im Bereich von zwischen 70 nm und 120 nm. Typischerweise wird die Transmission der Filter elektrisch gesteuert. Die gesamte Transmission des LCD-Filtersystems ergibt sich nun aus der Superposition der Transmission der drei Farbfilter. Hierbei ergeben sich jedoch nachteilig Bereiche im sichtbaren Spektralbereich, in dem keine vollständige Transmission erzielt werden kann. Das führt dazu, dass bei einem breitbandigen Emissionsspektrum 7 des Halbleiterbauelements, das die Farbfilter hinterleuchtet, ein Anteil der emittierten Strahlung von den Farbfiltern absorbiert wird.
Wie in dem Diagramm zu 6 gezeigt, weist das Emissionsspektrum 7 herkömmlicher Bauelemente drei Emissionsmaxima auf, zwischen denen relative Emissionsminima auftreten. Hierbei überschneiden sich jedoch die Emissionsmaxima des Emissionsspektrums 7 nicht vollständig mit den Transmissionsmaxima der Transmissionsspektren 6a, 6b, 6c der Farbfilter. Beispielsweise weist das Emissionsspektrum 7 im grünen Wellenlängenbereich einen deutlich breiten Peak auf, der auf das Transmissionsspektrum 6b des grünen Farbfilters nicht optimal abgestimmt ist. Aufgrund der nicht optimalen Abstimmung des Emissionsspektrums des strahlungsemittierenden Bauelements auf das Transmissionsspektrum des LCD-Filtersystems kann nachteilig nicht die maximale Lichtmenge aus dem Bauelement bei vollständig geöffneten LCD-Farbfiltern austreten. Dies führt nachteilig zu einem Verlust einer beträchtlichen Lichtmenge des Bauelements schon an den Filtern.
Die herkömmlichen Bauelemente weisen meist drei verschiedenfarbige Halbleiterchips auf, denen kein Konverter nachgeschaltet ist. Alternativ wird ein blauer LED-Chip verwendet, dessen Licht mittels eines Konverters zum Teil in grünes Licht umgewandelt wird. Hierbei findet zusätzlich ein roter Halbleiterchip Verwendung. Weiter alternativ wird ein UV-emittierender Halbleiterchip verwendet, dessen Licht in blaue, grüne und rotes Licht konvertiert wird. Wiederum alternativ wird ein blauer Halbleiterchip verwendet, dem zwei verschiedene Konverter nachgeordnet sind, wobei einer der Konverter das blaue Licht in grüne und zudem in rote Bestandteile konvertiert.
Mit diesen herkömmlicherweise verwendeten strahlungsemittierenden Bauelementen kann jedoch lediglich ein Emissionsspektrum erzielt werden, wie es beispielsweise in dem Diagramm zu 6 gezeigt ist, wobei hierbei nachteilig aufgrund von Absorptionseffekten ein gewisser Anteil der von dem Halbleiterchips emittierten Strahlung an dem Filtersystem verloren geht.
Um die maximale Lichtmenge aus dem Bauelement bei vollständig geöffneten LCD-Filtern zu erzielen, ist nun erfindungsgemäß ein Bauelement vorgesehen, das einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip aufweist, denen jeweils ein Konverter nachgeordnet ist. Derartige Halbleiterbauelemente sind in Zusammenhang mit den 1 bis 5 dargestellt.
In 5 ist ein Diagramm gezeigt, in dem die Transmission T gegen die Wellenlänge λ aufgetragen ist. In dem Diagramm sind Transmissionskurven herkömmlicher LCD-Farbfilter gezeigt, wie sie auch in 6 dargestellt sind. Im Unterschied zu dem in 6 dargestellten Diagramm ist anstelle des herkömmlichen Emissionsspektrums das Emissionsspektrum 7 eines erfindungsgemäßen Bauelements gezeigt.
Das erfindungsgemäße Emissionsspektrum 7 der 5 zeigt im Vergleich zum herkömmlichen Emissionsspektrum der 6 im grünen Wellenlängenbereich einen deutlich geringeren Peak. Aufgrund der verbesserten Abstimmung des Emissionsspektrum 7 des strahlungsemittierenden Bauelements auf das Transmissionsspektrum des LCD-Filtersystems insbesondere im grünen Spektralbereich kann mit Vorteil eine größere Lichtmenge aus dem Bauelement bei vollständig geöffneten LCD-Farbfiltern austreten, wodurch vorteilhafterweise reduzierte Absorptionsverluste der emittierten Strahlung des Bauelements an den Filtern auftreten.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Bauelemente, mit denen beispielsweise ein Emissionsspektrum erzielt werden kann, wie es in 5 dargestellt ist, sind in Verbindung mit den 1 bis 4 erläutert.
Das Bauelement des Ausführungsbeispiels der 1 weist ein Trägersubstrat 2 auf, das beispielsweise mittels eines Gehäuses 4 umschlossen ist. Das Gehäuse 4 weist eine Kavität auf, in dem der erste Halbleiterchip 1a und der zweite Halbleiterchip 1b angeordnet sind. Insbesondere sind die Halbleiterchips 1a, 1b auf einer Bodenfläche der Kavität des Gehäuses 4 direkt auf dem Trägersubstrat 2 montiert.
Das Trägersubstrat 2 ist beispielsweise eine Leiterplatte, vorzugsweise ein PCB.
Die Kavitätswände des Gehäuses 4 sind vorzugsweise schräg ausgebildet, sodass die von den Halbleiterchips 1a, 1b emittierte Strahlung an diesen Kavitätswänden in Richtung Auskoppelseite des Bauelements reflektiert wird.
Der erste Halbleiterchip 1a weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht 11a auf, die geeignet ist, Strahlung im UV-Wellenlängenbereich zu emittieren. Der zweite Halbleiterchip 1b weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete Schicht 1lb auf, die geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren. Die Halbleiterchips 1a, 1b weisen jeweils eine Halbleiterschichtenfolge auf, die auf einem III/V-Halbleitermaterial basieren. Die aktive Schicht 11a, 11b ist dabei jeweils in der Halbleiterschichtenfolge integriert.
Dem ersten Halbleiterchip 1a ist in Abstrahlrichtung ein erster Konverter 3a nachgeordnet, der geeignet ist, Strahlung im UV-Wellenlängenbereich in Strahlung im grünen Wellenlängenbereich zu konvertieren. Der erste Konverter 3a ist vorliegend als Konverterplättchen ausgebildet und direkt auf einer Strahlungsauskoppelseite des ersten Halbleiterchips 1a angeordnet. Hierzu ist beispielsweise das Konverterplättchen 3a separat hergestellt und mittels eines Layertransfers auf den ersten Halbleiterchip 1a übertragen und dort befestigt. Der erste Konverter 3a konvertiert bevorzugt die von dem ersten Halbleiterchip 1a emittierte Strahlung vollständig in Strahlung im grünen Wellenlängenbereich. Das bedeutet, dass zumindest 90%, bevorzugt wenigstens 95% der in der aktiven Schicht 11a des ersten Halbleiterchips 1a emittierten Strahlung, die durch den ersten Konverter 3a tritt, dort in grüne Strahlung umgewandelt wird. Im ersten Konverter 3a findet somit eine Vollkonversion der von dem ersten Halbleiterchip 1a emittierten Strahlung statt.
Der erste Konverter 3a ist vorzugsweise ein Phosphorkonverter, der Eu²⁺ als Aktivatoratome oder Eu²⁺ als Sensibilisator und Mn²⁺ als Aktivatoratome zur Lichtkonversion enthält. Beispielsweise ist der erste Konverter 3a ein BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺, Mn²⁺ basierter Konverter.
Auf dem zweiten Halbleiterchip 1b ist entsprechend ein zweiter Konverter 3b angeordnet und dem Halbleiterchip in Abstrahlrichtung nachgeordnet, der ebenfalls als Konverterplättchen ausgebildet ist. Der zweite Konverter 3b konvertiert einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip 1b emittierten Strahlung in Strahlung im roten Wellenlängenbereich. Ein Teil der von dem zweiten Halbleiterchip 1b emittierten Strahlung wird durch den zweiten Konverter 3b unkonvertiert transmittiert. Das bedeutet, dass lediglich eine Teilkonversion im zweiten Konverter 3b stattfindet, sodass aus dem zweiten Konverter 3b hindurch tretende Strahlen sowohl einen roten Anteil sowie einen blauen Anteil umfassen. Beispielsweise wird etwa 50% der von der aktiven Schicht 11b des zweiten Halbleiterchips 1b emittierten Strahlung in dem zweiten Konverter 3b in rote Strahlung umgewandelt und etwa 50% unkonvertiert transmittiert. Der zweite Konverter 3b ist beispielsweise ein (Sr, Ca)AlSiN₃:Eu²⁺ oder ein (Ca, Ba, Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺ basierter Konverter.
Das Halbleiterbauelement der 1 emittiert demnach insgesamt blaue Strahlung, die von dem zweiten Halbleiterchip 1b emittiert und unkonvertiert transmittiert wird, rote Strahlung, die von dem zweiten Konverter 3b konvertiert ist, und grüne Strahlung, die von dem ersten Konverter 3a umgewandelt ist. Durch die Verwendung eines UV-emittierenden Halbleiterchips 1a, dessen Licht vollständig in grünes Licht konvertiert wird, und die Verwendung eines zweiten blauen Halbleiterchips 1b, dessen Licht teilweise in rote Bestandteil konvertiert wird, kann ein Bauelement realisiert werden, dessen Emissionsspektrum an die Transmissionsspektra der LCD-Farbfilter angepasst ist, sodass Absorptionsverluste an den LCD-Farbfiltern reduziert sind. In den Farbfiltern geht so mit Vorteil nicht schon eine beträchtliche Lichtmenge des Bauelements verloren.
Das grüne Licht, welches vom ersten Konverter 3a ausgesendet wird, ist dabei sehr schmalbandig und weist eine FWHM von etwa 27 nm auf. Die Peakwellenlänge des grünen Lichts liegt dabei bei etwa 517 nm und ist optimal im Maximum des Transmissionsspektrums des typischen grünen Farbfilters angeordnet, das in einem Bereich zwischen 510 nm und 530 nm liegt. Dies führt mit Vorteil zu einer maximalen Helligkeit mit minimaler Absorption, wodurch derartige Bauelemente insbesondere zur Hinterleuchtung von Bildschirmen, wie beispielsweise Fernsehern und Computern Verwendung finden. Durch die vollständige Umwandlung des UV-Lichts in grünes Licht kommt es aufgrund des kleineren Stokes-Shifts mit Vorteil zu geringeren Verlusten als bei der Konversion von beispielsweise UV-Licht in rote Bestandteile. Entsprechend ist der Stokes-Shift für die rote Komponente, die dem blauen Halbleiterchip 1b nachgeordnet ist, geringer als bei einer Konversion von UV-Licht in rote Strahlung.
Durch die Verwendung von schmalbandigen Konvertern 3a, 3b kann mit Vorteil ein hoher Farbgamut erzielt werden. Weiter vorteilhaft ist, dass eine Reabsorption von grüner Strahlung durch den zweiten roten Konverter 3b vermieden wird.
In 2 ist eine alternative Ausgestaltung dargestellt, wobei im Unterschied zu dem Halbleiterbauelement des Ausführungsbeispiels der 1 das Halbleiterbauelement der 2 kein Gehäuse umfasst. Zudem sind im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1 der erste Konverter 3a und der zweite Konverter 3b nicht als Konverterplättchen ausgebildet, sondern als Volumenverguss. Der Volumenverguss umhüllt und umschließt dabei jeweils den jeweiligen Halbleiterchip 1a, 1b vollständig. Insbesondere ist der Volumenverguss der Strahlungsaustrittsseite des jeweiligen Halbleiterchips 1a, 1b nachgeordnet, sodass die von den aktiven Schichten 11a, 11b emittierte Strahlung durch den Volumenverguss hindurch tritt und dort in dem Volumenverguss teilweise oder vollständig konvertiert wird.
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 2 mit dem Ausführungsbeispiel der 1 überein.
Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 dadurch, dass der erste Konverter 3a und der zweite Konverter 3b als Sedimentationsschicht ausgebildet sind. Diese Sedimentationsschicht ist dabei jeweils direkt auf den Halbleiterchips 1a, 1b aufgebracht. Hierbei sind insbesondere Konverterpartikel in Pulverform direkt auf der Strahlungsaustrittsseite des jeweiligen Halbleiterchips 1a, 1b angeordnet. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 findet somit kein Matrixmaterial Anwendung, in dem die Konverterpartikel eingebracht sind. Die Konverterpartikel des Ausführungsbeispiels der 3 liegen insbesondere in Reinform vor.
Die Sedimentationsschicht des ersten Konverters 3a und des zweiten Konverters 3b kann beispielsweise mittels Elektrophorese auf die Halbleiterchips 1a, 1b aufgebracht sein.
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 3 mit den Ausführungsbeispielen der 1, 2 überein.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements dargestellt, wobei hierbei den Halbleiterchips 1a, 1b in Abstrahlrichtung ein optisches Element 5 nachgeordnet ist. Das optische Element 5 ist beispielsweise ein Lichtleiter. Hierbei werden die von den Halbleiterchips emittierten und die konvertierten Strahlen in den gemeinsamen Lichtleiter 5 eingekoppelt, wobei in dem Lichtleiter 5 die Spektralbestandteile der Strahlungen gemischt werden. Insbesondere koppelt die vom UV-Halbleiterchip 1a von dem ersten Konverter 3a konvertierte grüne Strahlung, die von dem zweiten Halbleiterchip 1b emittierte blaue Strahlung sowie die von dem zweiten Konverter 3b konvertierte rote Strahlung gemeinsam in den Lichtleiter 5 ein und werden dort bevorzugt homogen gemischt. Derartige in einem Lichtleiter eingekoppelte Strahlen können zur Hinterleuchtung von beispielsweise Fernsehern und Computermonitoren verwendet werden.
Das Halbleiterbauelement der 4, das dem Lichtleiter 5 vorgeordnet ist, kann beispielsweise wie eines der Halbleiterbauelemente gemäß den 1 bis 3 ausgestaltet sein.
Die Anzahl der Hableiterbauelemente bzw. Hableiterchips ist nicht auf die in 4 dargestellte Anzahl beschränkt. Insbesondere können mehr als zwei Halbleiterchips dem Lichtleiter vorgeordnet sein. Hierzu ist beispielsweise eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen auf dem Trägersubstrat nebeneinander angeordnet, sodass die von der Mehrzahl der Halbleiterbauelemente emittierte Strahlung gemeinsam in den Lichtleiter einkoppeln.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind.

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement, das ein Trägersubstrat (2), einen auf dem Trägersubstrat (2) angeordneten ersten Halbleiterchip (1a) und einen auf dem Trägersubstrat (2) angeordneten zweiten Halbleiterchip (1b) umfasst, wobei – der erste Halbleiterchip (1a) eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht (11a) aufweist, die geeignet ist, Strahlung im UV-Wellenlängenbereich zu emittieren, – der zweite Halbleiterchip (1b) eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht (11b) aufweist, die geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren, – dem ersten Halbleiterchip (1a) in Abstrahlrichtung ein erster Konverter (3a) nachgeordnet ist, der geeignet ist, Strahlung im UV-Wellenlängenbereich in Strahlung im grünen Wellenlängenbereich zu konvertieren, und – dem zweiten Halbleiterchip (1b) in Abstrahlrichtung ein zweiter Konverter (3b) nachgeordnet ist, der geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im roten Wellenlängenbereich zu konvertieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der zweite Konverter (3b) einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip (1b) emittierten Strahlung in Strahlung im roten Wellenlängenbereich konvertiert und einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip (1b) emittierten Strahlung unkonvertiert transmittiert.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) die von dem ersten Halbleiterchip (1a) emittierte Strahlung vollständig in Strahlung im grünen Wellenlängenbereich konvertiert.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) und der zweite Konverter (3b) Phosphor-Konverter sind, die Eu²⁺ als Aktivatoratome oder Eu²⁺ als Sensibilisator und Mn²⁺ als Aktivatoratome zur Lichtkonversion enthalten.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) ein BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺, Mn²⁺-basierter Konverter ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Konverter (3b) ein (Sr, Ca)AlSiN₃:Eu²⁺-basierter Konverter oder ein (Ca, Ba, Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺-basierter Konverter ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) und/oder der zweite Konverter (3b) als Konverterplättchen ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) und/oder der zweite Konverter (3b) als Volumenverguss ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) und/oder der zweite Konverter (3b) als Sedimentationsschicht ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) und/oder der zweite Konverter (3b) mittels Elektrophorese auf die Halbleiterchips (1a, 1b) aufgebracht sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend ein Gehäuse (4) mit zumindest einer Kavität, in der die Halbleiterchips (1a, 1b) angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend ein optisches Element (5), das den Halbleiterchips (1a, 1b) in Abstrahlrichtung nachgeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, wobei das optische Element (5) ein Lichtleiter ist.
Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Hinterleuchtung.