DE102011111920A1

DE102011111920A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102011111920A1
Application number: DE102011111920A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gärtner Christian; Baumgartner Alexander; Michael Kruppa; Ales Markytan
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-02-28

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) angegeben, das einen ersten, zweiten und dritten Halbleiterchip (1a, 1b, 1c) umfasst. Der erste Halbleiterchip (1a) emittiert im Betrieb rote Strahlung (S1). Der zweite und dritte Halbleiterchip (1b, 1c) emittieren im Betrieb jeweils blaue Strahlung. Dem zweiten Halbleiterchip (1b) ist in Abstrahlrichtung ein erster Konverter (3a) und dem dritten Halbleiterchip (1c) ein zweiter Konverter (3b) nachgeordnet. Der erste Konverter (3a) konvertiert Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 510 nm bis einschließlich 575 nm. Der zweite Konverter (3b) emittiert Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 525 nm bis einschließlich 585 nm.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, das einen ersten Halbleiterchip, einen zweiten Halbleiterchip und einen dritten Halbleiterchip umfasst.
Um ein durchstimmbares Halbleiterbauelement wie beispielsweise eine LED-Mischlichtquelle mit einer Strahlungsemission entlang der Planck-Weiß-Farbkurve zu realisieren, werden herkömmlicherweise drei Halbleiterchips kombiniert, die jeweils Strahlung unterschiedlicher Farbe emittieren. Jeder Halbleiterchip, der Strahlung derselben Farbe emittiert, wird grundsätzlich einer gemeinsamen Klasse zugeordnet, wobei jedes Bauelement mindestens einen Halbleiterchip pro Klasse umfasst. Die Anzahl der pro Klasse eingesetzten Halbleiterchips kann sich dabei unterscheiden. Durch unabhängige Bestromung jeder Halbleiterchip-Klasse wird die Ansteuerung des gewünschten Farborts erzielt.
Üblicherweise sind die im Folgenden erläuterten drei Konzepte bekannt, um ein Halbleiterbauelement mit einer Strahlungsemission entlang der Planck-Weiß-Farbkurve zu realisieren:

a) Es ist bekannt, RGB-Halbleiterchips zu kombinieren. Hierbei werden jeweils ein unkonvertierter roter, grüner und blauer Halbleiterchip einem Halbleiterbauelement zugeordnet. Gegebenenfalls werden hierbei auch weitere Halbleiterchips mit einer Emission von quasi monochromatischen Farben eingesetzt, was allerdings nachteilig zu einer größeren Komplexität der Treiberelektronik sowie zu höheren Kosten führt.
b) Alternativ ist bekannt, unkonvertierte rote und blaue Halbleiterchips mit einem grünlich-weiß konvertierten blauen Halbleiterchip zu kombinieren. Anstatt des blauen Halbleiterchips kann auch ein bläulich-weiß konvertierter blauer Halbleiterchip eingesetzt werden, um den Lichtstrom bei gleicher Anzahl an Halbleiterchips zu erhöhen.
c) Weiter alternativ ist bekannt, zwei oder mehrere konvertierende, weiß emittierende Halbleiterchips zu kombinieren, welche sich jeweils auf oder nahe eines Planck-Farborts befinden. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass die Mischfarbe möglicherweise nicht auf der Planck-Weiß-Farbkurve liegt beziehungsweise eine gewisse Farbtemperatur auf der Planck-Weiß-Farbkurve nicht angesteuert werden kann, falls nur Halbleiterchips zum Einsatz kommen, die Strahlung zweier verschiedener Farben emittieren.

Bei den oben genannten Konzepten a) bis c) kann durch geeignete und unterschiedliche Bestromung der Halbleiterchips ein kalt- bis warmweißer Farbort nahe der Planck-Weiß-Farbkurve angesteuert werden. Hierbei erreichen jedoch nicht alle Halbleiterbauelemente bei allen Farbtemperaturen im Bereich von 2400 K bis 6500 K einen erwünschten Farbwiedergabeindex von größer als 80, bevorzugt größer als 85.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das bei allen Farbtemperaturen im Bereich von 2400 K bis 6500 K einen verbesserten Farbwiedergabeindex aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein durchstimmbares Halbleiterbauelement entlang der Planck-Weiß-Farbkurve anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Halbleiterbauelements sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen ersten Halbleiterchip, einen zweiten Halbleiterchip und einen dritten Halbleiterchip. Der erste Halbleiterchip weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht auf, die geeignet ist, Strahlung im roten Wellenlängenbereich zu emittieren. Der zweite Halbleiterchip und der dritte Halbleiterchip weisen jeweils eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht auf, die geeignet sind, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren. Dem zweiten Halbleiterchip ist in Abstrahlrichtung ein erster Konverter nachgeordnet, der geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 510 nm bis einschließlich 575 nm zu konvertieren. Dem dritten Halbleiterchip ist in Abstrahlrichtung ein zweiter Konverter nachgeordnet, der geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 525 nm bis einschließlich 585 nm zu konvertieren.
Unter dem ”Farbort” werden im Folgenden insbesondere die Zahlenwerte verstanden, die die Farbe des emittierten Lichts der Halbleiterchips oder des Halbleiterbauelements im CIE-Farbraum beschreiben.
Der ”CIE-Farbraum” ist insbesondere das CIE-Norm-Valenz-System (auch bekannt unter CIE 1931). Dem CIE-Norm-Valenz-System werden Messwerte zugrunde gelegt, die auf einen Normalbeobachter bezogen sind und die in einer CIE-Norm-Farbtafel darstellbar sind. Die Fläche möglicher Farben ist bei der CIE-Norm-Farbtafel auf einem Koordinatensystem aufgetragen, auf dem der x-Anteil und y-Anteil einer beliebigen Farbe direkt abgelesen werden kann.
Die ”Farbtemperatur” ist insbesondere ein Maß für den Farbeindruck einer Lichtquelle. Sie wird definiert als die Temperatur, auf die man einen schwarzen Körper (Planckschen Strahler) aufheizen müsste, damit er Licht einer Farbe abgibt, das bei gleicher Helligkeit und unter festgelegten Beobachtungsbedingungen der zu beschreibenden Farbe am ähnlichsten ist.
Unter ”Farbwiedergabeindex” oder auch Colour Rendering Index (CRI) versteht man eine fotometrische Größe, mit der sich die Qualität der Farbwiedergabe von Lichtquellen gleicher korrelierter Farbtemperatur beschreiben lässt. Als Referenz zur Beurteilung der Wiedergabequalität dient dabei das Licht, das von einem schwarzer Strahler der entsprechenden Farbtemperatur abgegeben wird. Jede Lichtquelle, die dabei das Spektrum eines schwarzen Strahlers gleicher korrelierter Farbtemperatur im Bereich der sichtbaren Wellenlänge perfekt nachbildet, erreicht hierbei einen gewünschten Farbwiedergabeindex von 100.
Das vorliegende Halbleiterbauelement umfasst vorteilhafterweise Halbleiterchips dreier Klassen, wobei zwei unterschiedliche Konverter verwendet werden, die blaue Strahlung in Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche konvertieren. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Farbwiedergabeindex über alle Farbtemperaturen zwischen einschließlich 2400 K bis einschließlich 6500 K von größer als 80, bevorzugt von größer als 85 erreicht werden. Dadurch lässt sich ein durchstimmbares Halbleiterbauelement realisieren, das sowohl eine hohe Lichtausbeute für alle Farbtemperaturen als auch eine hohe Farbwiedergabe für alle Farbtemperaturen aufweist.
Das Halbleiterbauelement ist ein optoelektronisches Bauelement, das die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten oder Energien in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Das Halbleiterbauelement weist drei 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 der 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.
Ein III/V-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff ”III/V-Halbleitermaterial” die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Insbesondere handelt es sich bei den Halbleiterchips um auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierende Chips. ”Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Zone und/oder der Aufwachssubstratwafer, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-nmN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Halbleiterbauelement emittierte Mischstrahlung bei Farbtemperaturen im Bereich von einschließlich 2400 K bis einschließlich 6500 K einen Farbwiedergabeindex (CRI) von größer als 80 auf, besonders bevorzugt von größer als 85. Die Mischstrahlung setzt sich dabei zusammen aus von dem ersten Halbleiterchip emittierter Strahlung, von dem zweiten und dritten Halbleiterchip emittierte Strahlung und von dem ersten und zweiten Konverter konvertierte Strahlung. Mittels eines derartigen Halbleiterbauelements kann insbesondere eine durchstimmbare Lichtquelle realisiert werden, die über die relevanten Farbtemperaturen einen verbesserten Farbwiedergabeindex aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Emissionsspektrum der Mischstrahlung eine Halbwertsbreite in einem Bereich zwischen einschließlich 45 nm und einschließlich 55 nm auf, besonders bevorzugt von etwa 50 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Konverter geeignet, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 530 nm bis einschließlich 555 nm zu konvertieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Konverter geeignet, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 545 nm bis einschließlich 570 nm zu konvertieren.
Der erste Konverter und der zweite Konverter sind demnach Konverter, die blaue Strahlung in Richtung grüne Strahlung konvertieren. Bei dem ersten Konverter handelt es sich zum Beispiel um einen Konverter der Materialklasse LuAGaG:Ce, insbesondere um Lu3(Al,Ga)5O12:Ce. Bei dem zweiten Konverter handelt es sich zum Beispiel um einen Konverter der Materialklasse YAGaG:Ce, insbesondere um Y3(A1,Ga)5O12:Ce.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Halbleiterchip geeignet, Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 600 nm und einschließlich 660 nm zu emittieren.
Durch die oben angegebenen Wellenlängenbereiche kann insbesondere ein Halbleiterbauelement erzeugt werden, das einen Farbwiedergabeindex über alle Farbtemperaturen von wenigstens 80 erreicht, bevorzugt großer als 85.
Die angegebenen Wellenlängen und/oder Farborte sind dabei insbesondere mittlere Werte der Halbleiterchips innerhalb einer Klasse. Die individuellen Halbleiterchips einer Klasse können insbesondere durch Produktionsschwankungen um diesen Farbort beziehungsweise um diese Wellenlänge variieren. Insbesondere kann eine Wellenlängenvariation von +/– 15 nm und eine Farbortvariation C_x/C_y von +/– 0,03 auftreten.
Die in dieser Anmeldung angegebenen Wellenlängenbereiche der Konverter sind insbesondere Bereiche, in denen der jeweilige Konverter sein Emissionsmaximum hat. Das bedeutet, dass das Emissionsspektrum ebenfalls außerhalb der angegebenen Wellenlängenbereiche einen Verlauf aufweisen kann, wobei jedoch das Emissionsmaximum in den angegebenen Bereich fällt.
Entsprechendes gilt für die angegebenen Wellenlängenbereiche der Strahlungen, die die Halbleiterchips emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform konvertieren der erste Konverter und der zweite Konverter jeweils einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip beziehungsweise dritten Halbleiterchip emittierten Strahlung, wobei der erste Konverter und der zweite Konverter einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip beziehungsweise dritten Halbleiterchip emittierten Strahlung unkonvertiert transmittieren.
”Unkonvertiert transmittiert” bedeutet hierbei, dass die von dem zweiten beziehungsweise dritten Halbleiterchip emittierte Strahlung zumindest anteilig ohne Beeinflussung durch den ersten beziehungsweise zweiten Konverter hindurch tritt, sodass dieser Anteil der Strahlung den entsprechenden Konverter als blaue Strahlung verlässt. Die Konverter werden demnach nicht zu einer vollständigen Konversion eingesetzt, sondern konvertieren lediglich einen Teil der von dem jeweiligen Halbleiterchip emittierten Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Farbort einer von dem zweiten Halbleiterchip emittierten und von dem ersten Konverter konvergierten Mischstrahlung folgende Werte im CIE-Farbraum auf: 0,1 ≤ C_x ≤ 0,3 und 0,2 ≤ C_y ≤ 0,45.
Vorzugsweise weist ein Farbort einer von dem dritten Halbleiterchip emittierten und vom zweiten Konverter konvergierten Mischstrahlung folgende Werte im CIE-Farbraum auf: 0,1 ≤ C_x ≤ 0,5 und C_y > 0,3.
Halbleiterchips mit einem derartigen Farbort im CIE-Farbraum ermöglichen in Kombination mit einem weiteren roten Halbleiterchip den gewünschten Farbwiedergabeindex über den Farbtemperaturbereich von 2400 K bis 6500 K.
Damit kann ein Halbleiterbauelement mit derartigen Halbleiterchips und nachgeordneten Konvertern als durchstimmbare Mischlichtquelle entlang der Planck-Weiß-Farbkurve verwendet werden. Insbesondere ist das Halbleiterbauelement eine derartige durchstimmbare Mischlichtquelle entlang der Planck-Weiß-Farbkurve.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
2 ein Diagramm, das den CIE-Farbraum zeigt, und
3A, 3B jeweils ein Diagramm, das den Farbwiedergabeindex gegen die Farbtemperatur eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und eines herkömmlichen Bauelements zeigt.
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 1 ist ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelements 10 gezeigt, das ein Trägersubstrat 2 aufweist. Das Trägersubstrat 2 kann beispielsweise mittels eines Gehäuses umschlossen sein (nicht dargestellt). Auf dem Trägersubstrat 2 sind ein erster Halbleiterchip 1a, ein zweiter Halbleiterchip 1b und ein dritter Halbleiterchip 1c angeordnet. Weist das Halbleiterbauelement 10 ein Gehäuse auf, dann sind die Halbleiterchips 1a, 1b, 1c in einer Kavität des Gehäuses direkt auf dem Trägersubstrat 2 montiert (nicht dargestellt).
Der erste Halbleiterchip 1a weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht 11a auf, die geeignet ist, Strahlung S1 im roten Wellenlängenbereich zu emittieren. Der zweite Halbleiterchip 1b weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht 11b auf, die geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren. Der dritte Halbleiterchip 1c weist ebenfalls eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht 11c auf, die ebenfalls geeignet ist,, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren. Die Halbleiterchips 1a, 1b, 1c weisen jeweils eine Halbleiterschichtenfolge auf, die auf einem III/V-Halbleitermaterial basieren. Die aktiven Schichten 11a, 11b, 11c sind dabei jeweils in der Halbleiterschichtenfolge integriert. Die Halbleiterchips 1a, 1b, 1c sind vorzugsweise LEDs.
Dem zweiten Halbleiterchip 1b ist in Abstrahlrichtung ein erster Konverter 3a nachgeordnet, der geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 510 nm bis einschließlich 575 nm zu konvertieren. Der erste Konverter 3a ist vorliegend als Konverterplättchen ausgebildet und direkt auf einer Strahlungsauskoppelseite des zweiten Halbleiterchips 1b angeordnet. Hierzu ist beispielsweise das Konverterblättchen 3a separat hergestellt und mittels eines Layer-Transfer-Verfahrens auf den zweiten Halbleiterchip 1b übertragen und dort befestigt. Der erste Konverter 3a konvertiert bevorzugt die von dem zweiten Halbleiterchip 2b emittierte Strahlung teilweise in Strahlung im angegebenen Wellenlängenbereich. Das bedeutet, dass lediglich eine Teilkonversion im ersten Konverter 3a stattfindet, sodass aus dem ersten Konverter 3a hindurch tretende Strahlen S2 sowohl einen blauen Anteil sowie einen grünen Anteil umfassen. Beispielsweise wird etwa 50% der von der aktiven Schicht 11b des zweiten Halbleiterchips 1b emittierten Strahlung in dem ersten Konverter 3a in grüne Strahlung umgewandelt und etwa 50% unkonvertiert als blaue Strahlung transmittiert.
Auf dem dritten Halbleiterchip 1c 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 dritten Halbleiterchip 1c emittierten Strahlung in Strahlung im angegebenen Wellenlängenbereich. Ein Teil der von dem dritten Halbleiterchip 1c emittierten Strahlung wird durch den zweiten Konverter 3b unkonvertiert als blaue Strahlung transmittiert. Aus dem zweiten Konverter 3b hindurch tretende Strahlen 53 umfassen somit sowohl einen blauen als auch grünen Anteil. Beispielsweise wird wiederum etwa 50% der von der aktiven Schicht 11c des dritten Halbleiterchips 1c emittierten Strahlung in dem zweiten Konverter 3b in grüne Strahlung umgewandelt und etwa 50% unkonvertiert transmittiert.
Die Konverter 3a, 3b weisen jeweils bevorzugt ein Matrixmaterial auf, in dem einzelne Leuchtstoffe eingebettet sind. Besonders bevorzugt sind die Leuchtstoffe der Konverter 3a, 3b in dem Matrixmaterial homogen verteilt, sodass eine möglichst homogene Abstrahlcharakteristik erzielt werden kann. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Glas, ein keramisches Material oder um einen Kunststoff wie Silikon. Bei den Konvertern 3a, 3b kann es sich um vorgefertigte Plättchen handeln, die auf die zugeordneten Halbleiterchips aufgebracht werden. Ferner ist es möglich, dass die Konverter als Schicht direkt auf den Strahlungsaustrittsflächen der zugeordneten Halbleiterchips ausgebildet werden. Dies ist zum Beispiel mittels einem elektrophoretischem verfahren möglich.
Ferner ist es möglich, dass die Konverter 3a, 3b jeweils aus einem Leuchtstoff bestehen. Bei den Konverter 3a, 3b kann es sich dann insbesondere um keramische Konverter 3a, 3b handeln, die aus einem keramischen Leuchtstoff bestehen.
Bevorzugt konvergiert der erste Konverter 3a blaue Strahlung in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 530 nm bis einschließlich 550 nm und der zweite Konverter 3b blaue Strahlung in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 545 nm bis einschließlich 570 nm. Der erste Halbleiterchip 1a emittiert vorzugsweise Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 600 nm und einschließlich 660 nm.
Die angegebenen Wellenlängenbereiche geben hierbei den Bereich an, in dem das jeweilige Emissionsmaximum auftritt. Insbesondere wird jeweils der Bereich angegeben, in dem das Emissionsmaximum bevorzugt liegt.
Bei dem ersten Konverter zur Konversion von elektromagnetischer Strahlung zwischen wenigstens 530 nm bis höchstens 555 nm handelt es sich zum Beispiel um einen Konverter der Materialklasse LuAGaG:Ce, insbesondere um Lu3(Al,Ga)5O12:Ce.
Bei dem zweiten Konverter zur Konversion von elektromagnetischer Strahlung zwischen wenigstens 545 nm bis höchstens 570 nm handelt es sich zum Beispiel um einen Konverter der Materialklasse YAGaG:Ce, insbesondere um Y3(Al,Ga)5O12:Ce.
Das Halbleiterbauelement 10 der 1 emittiert insgesamt rote Strahlung S1, die von dem ersten Halbleiterchip 1a emittiert wird, blaue Strahlung, die von dem zweiten und dritten Halbleiterchip 1b, 1c emittiert und unkonvertiert transmittiert wird, und grünliche Strahlung, die von dem ersten und zweiten Konverter 3a, 3b konvertiert wird. Die Mischstrahlung SG des Halbleiterbauelements 10 setzt sich demnach aus den einzelnen Strahlungskomponenten zusammen. Dadurch kann mit Vorteil ein Bauelement realisiert werden, dessen emittierte Mischstrahlung SG bei Farbtemperaturen im Bereich von einschließlich 2400 K bis einschließlich 6500 K einen Farbwiedergabeindex von größer als 80 aufweist, besonders bevorzugt von größer als 85. Das Emissionsspektrum der Mischstrahlung weist dabei bevorzugt eine Halbwertsbreite in einem Bereich zwischen einschließlich 45 nm und einschließlich 55 nm auf, bevorzugt von etwa 50 nm. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Bauelement 10 realisiert werden, das eine durchstimmbare Mischlichtquelle entlang der Planck-Weiß-Farbkurve ist.
Das Halbleiterbauelement zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Lichtausbeute für alle Farbtemperaturen sowie durch eine hohe Farbwiedergabe für alle Farbtemperaturen aus.
In 2 ist der CIE-Farbraum dargestellt, wobei die Farborte der von den einzelnen Halbleiterchips emittierten Strahlungen und gegebenenfalls konvertierten Strahlungen des Bauelements gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 eingezeichnet sind. S1 zeigt dabei den Farbort des ersten Halbleiterchips, der also Strahlung im roten Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 600 nm und einschließlich 660 nm emittiert. S2 gibt den Farbortbereich des zweiten Halbleiterchips mit nachgeordnetem ersten Konverter an. Dieser Farbort weist vorzugsweise im CIE-Farbraum einen C_x zwischen einschließlich 0,1 und einschließlich 0,3 und einen C_y zwischen einschließlich 0,2 und einschließlich 0,45 auf. Der Farbortbereich S3 gibt den bevorzugten Farbortbereich des dritten Halbleiterchips mit nachgeordnetem zweiten Konverter an, wobei der Farbortbereich im CIE-Farbraum bevorzugt folgende Werte aufweist: 0,1 ≤ C_x ≤ 0,5 und C_y > 0,3.
Die angegebenen Farborte sind dabei mittlere Werte der Halbleiterchips innerhalb einer Klasse. Die individuellen Halbleiterchips einer Klasse können durch Produktionsschwankungen um diesen Farbort um +/– 0,03 variieren.
Der Farbortbereich FG gibt in 2 die von dem Halbleiterbauelement insgesamt emittierte Mischstrahlung an. Die Mischstrahlung weist insbesondere eine weiße Lichtfarbe mit einem Farbwiedergabeindex von etwa 90 bei Farbtemperaturen zwischen einschließlich 2400 K und einschließlich 6500 K auf. Das Halbleiterbauelement ist demnach eine durchstimmbare Mischlichtquelle entlang der Planck-Weiß-Farbkurve.
In den 3A und 3B sind Diagramme gezeigt, bei denen der Farbwiedergabeindex gegen die Farbtemperatur aufgetragen ist. In den Diagrammen sind jeweils eine Kurve E gezeigt, die die Farbwiedergabeindexwerte gegen die Farbtemperatur eines erfindungsgemäßen Bauelements angibt, und eine Kurve H, die den Farbwiedergabeindex gegen die Farbtemperatur eines herkömmlichen Bauelements angibt.
Das erfindungsgemäße Bauelement weist einen ersten Halbleiterchip mit einem Emissionsmaximum bei etwa 615 nm, einen zweiten blauen LED-Chip mit einem Emissionsmaximum bei etwa 445 nm und mit nachgeschalteten grünlich konvertierenden Konverter mit einem Emissionsmaximum bei 520 nm, und einen dritten blauen LED-Chip mit einem Emissionsmaximum bei 445 nm und mit nachgeschalteten grünlich konvertierenden Konverter mit einem Emissionsmaximum bei etwa 545 nm auf. Die Farbortwerte der vom zweiten LED-Chip und ersten Konverter emittierten Strahlung weist folgende Werte auf: C_x = 0,2, C_y = 0,3. Die vom dritten LED-Chip emittierte und vom zweiten Konverter konvertierte Mischstrahlung weist folgende Farbortwerte auf: C_x = 0,4 und C_y = 0,51.
Das herkömmliche Bauelement weist drei Halbleiterchips auf, wobei der erste Halbleiterchip ein Emissionsmaximum bei 615 nm und der zweite und dritte Halbleiterchip jeweils ein Emissionsmaximum bei 445 nm aufweisen. Dem zweiten und dritten Halbleiterchip ist jeweils ein Konverter mit einem Emissionsmaximum bei 565 nm nachgeordnet. Das herkömmliche Bauelement weist demnach zwei identische Halbleiterchips mit zwei identischen Konvertern auf.
Wie in 3A dargestellt, erzielt ein erfindungsgemäßes Bauelement bei Farbtemperaturen zwischen 2700 K bis 6000 K einen Farbwiedergabeindex von etwa 90, insbesondere zwischen 87 und 90. Das herkömmliche Bauelement dagegen weist über diesen Farbtemperaturbereich einen weitaus geringeren Farbwiedergabeindex auf, insbesondere nimmt der Farbwiedergabeindex bei zunehmender Farbtemperatur bis zu einem Farbwiedergabeindex von kleiner 65 ab. Insbesondere wird bei einer Farbtemperatur von größer als 4500 K lediglich ein Farbwiedergabeindex von kleiner als 75 erzielt.
In 3B ist der Farbwiedergabeindex bei rot, also der so genannte Farbwiedergabeindex R9, gegen die Farbtemperatur aufgetragen. Auch hier zeigt sich, dass bei einem herkömmlichen Bauelement mit zunehmender Farbtemperatur der R9-Wert rasant abnimmt, während bei dem erfindungsgemäßen Bauelement der R9-Wert bei zunehmender Farbtemperatur ansteigt.
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.
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 Nicht-Patentliteratur

CIE 1931 [0009]

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10), das einen ersten Halbleiterchip (1a), einen zweiten Halbleiterchip (1b) und einen dritten Halbleiterchip (1c) umfasst, wobei – der erste Halbleiterchip (1a) eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht (11a) aufweist, die geeignet ist, Strahlung im roten Wellenlängenbereich zu emittieren, – der zweite Halbleiterchip (1b) und der dritte Halbleiterchip (1c) jeweils eine zur Strahlungserzeugung geeignete aktive Schicht (11b, 11c) aufweisen, die geeignet sind, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich zu emittieren, – dem zweiten Halbleiterchip (1b) in Abstrahlrichtung ein erster Konverter (3a) nachgeordnet ist, der geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 510 nm bis einschließlich 575 nm zu konvertieren, und – dem dritten Halbleiterchip (1c) in Abstrahlrichtung ein zweiter Konverter (3b) nachgeordnet ist, der geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 525 nm bis einschließlich 585 nm zu konvertieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei eine von dem Halbleiterbauelement emittierte Mischstrahlung bei Farbtemperaturen im Bereich von einschließlich 2400 K bis einschließlich 6500 K einen Farbwiedergabeindex von größer als 80 aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Farbwiedergabeindex wenigstens 80 ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Emissionsspektrum der Mischstrahlung eine Halbwertsbreite in einem Bereich zwischen einschließlich 45 nm und einschließlich 55 nm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der erste Konverter (3a) geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 530 nm bis einschließlich 555 nm zu konvertieren.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der zweite Konverter (3b) geeignet ist, Strahlung im blauen Wellenlängenbereich in Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 545 nm bis einschließlich 570 nm zu konvertieren.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterchip geeignet ist, Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 600 nm und einschließlich 660 nm zu emittieren.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Konverter (3a) und der zweite Konverter (3b) jeweils einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip (1b) beziehungsweise dritten Halbleiterchip (1c) emittierten Strahlung konvertieren und einen Teil der von dem zweiten Halbleiterchip (1b) beziehungsweise dritten Halbleiterchip (1c) emittierten Strahlung unkonvertiert transmittieren.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Farbort einer von dem zweiten Halbleiterchip emittierten und vom ersten Konverter konvergierten Mischstrahlung folgende Werte im CIE-Farbraum aufweist: 0,1 ≤ C_x ≤ 0,3 und 0,2 ≤ C_y ≤ 0,45.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Farbort einer von dem dritten Halbleiterchip emittierten und vom zweiten Konverter konvergierten Mischstrahlung folgende Werte im CIE-Farbraum aufweist: 0,1 ≤ C_x ≤ 0,5 und C_y > 0,3.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine durchstimmbare Mischlichtquelle entlang der Planck-Weißfarbkurve ist.