DE102011116752A1

DE102011116752A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauteil und Streumittel

Info

Publication number: DE102011116752A1
Application number: DE102011116752A
Authority: DE
Inventors: Reiner Windisch; Hailing Cui; Gertrud Kräuter; Markus Schneider
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-04-25
Also published as: US20140264422A1; TW201327935A; WO2013060570A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils (1) umfasst dieses einen optoelektronischen Halbleiterchip (2). Das Halbleiterbauteil (1) beinhaltet ein Konversionselement (3), das dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil einer vom Halbleiterchip (2) emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Das Konversionselement (3) weist mindestens einen Leuchtstoff und Streupartikel auf sowie zumindest ein Matrixmaterial. Die Streupartikel sind in das Matrixmaterial eingebettet. Ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und einem Material der Streupartikel beträgt bei einer Temperatur von 300 K höchstens 0,15. Der Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und dem Material der Streupartikel ist bei einer Temperatur von 380 K größer als bei einer Temperatur von 300 K.

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein Streumittel für ein Konversionselement für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil sowie ein Streumittel hierfür anzugeben, mit dem gegenüber Temperaturänderungen eine vergleichsweise konstante Farbemission realisierbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils umfasst dieses mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der optoelektronische Halbleiterchip ist zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehen. Insbesondere umfasst der optoelektronische Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst zumindest eine aktive Schicht, die zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist. Die aktive Schicht beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur. Eine von der aktiven Schicht im Betrieb erzeugte Strahlung liegt insbesondere im Spektralbereich zwischen einschließlich 400 nm und 800 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils beinhaltet dieses ein Konversionselement. Das Konversionselement ist dazu eingerichtet, mindestens einen Teil einer von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip blaues Licht und das Konversionselement wandelt einen Teil dieses blauen Lichts in grünes und/oder grün-gelbes und/oder grün-oranges und/oder rotes Licht um. Besonders bevorzugt emittiert das Halbleiterbauteil eine Mischstrahlung, zusammengesetzt aus der von dem Konversionselement emittierten und der unmittelbar von dem Halbleiterchip erzeugten Strahlung. Bei der Mischstrahlung handelt es sich zum Beispiel um weißes Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils beinhaltet das Konversionselement einen oder mehrere Leuchtstoffe. Die Leuchtstoffe basieren zum Beispiel auf einem seltenerden-dotierten Granat wie YAG:Ce, einem seltenerden-dotierten Orthosilikat wie (Ba, Sr)₂SiO₄:Eu oder einem seltenerden-dotierten Siliziumoxinitrid oder Siliziumnitrid wie (Ba, Sr)₂Si₅N₈:Eu. Mehrere verschiedene Leuchtstoffe können durchmischt oder voneinander räumlich getrennt in dem Konversionselement vorliegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils umfasst das Konversionselement Streupartikel. Die Streupartikel sind dazu eingerichtet, aufgrund eines Brechungsindexunterschieds zu einer Umgebung und/oder aufgrund reflektiver Eigenschaften und/oder aufgrund Lichtbeugung die vom Konversionselement umgewandelte Strahlung und/oder die unmittelbar vom Halbleiterchip erzeugte Strahlung zu streuen. Die Streupartikel absorbieren bevorzugt keine oder im Wesentlichen keine vom Halbleiterchip erzeugte Strahlung oder vom Konversionselement umgewandelte Strahlung. Ferner kann ein Material der Streupartikel durchlässig für die vom Halbleiterchip erzeugte oder vom Konversionselemente umgewandelte Strahlung sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement zumindest ein Matrixmaterial. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Silikon, ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial oder um ein Epoxid. Das Matrixmaterial ist bevorzugt klarsichtig und transparent für die vom Halbleiterchip erzeugte und die vom Konversionselement umgewandelte Strahlung. Die Streupartikel sind hierbei wenigstens teilweise in das Matrixmaterial eingebettet. Das heißt, alle oder ein Teil der Streupartikel sind stellenweise in unmittelbarem Kontakt zu dem Matrixmaterial angeordnet. Insbesondere sind die Streupartikel homogen verteilt in das Matrixmaterial eingemischt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils beträgt ein Brechungsunterschied zwischen dem Matrixmaterial und dem Material der Streupartikel bei einer Temperatur von 300 K höchstens 0,15. Es ist möglich, dass der Brechungsindexunterschied höchstens 0,10 oder höchstens 0,07 oder höchstens 0,05 oder höchstens 0,03 beträgt. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Brechungsindices des Matrixmaterials und des Materials der Streupartikel bei Raumtemperatur nicht oder nur wenig voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils ist der Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und dem Material der Streupartikel bei einer Temperatur von 380 K und/oder bei einer Temperatur von 400 K und/oder bei einer Temperatur von 420 K größer als bei 300 K. Mit anderen Worten steigt der Brechungsindexunterschied, ausgehend von Raumtemperatur, hin zu einer stationären Betriebstemperatur des Halbleiterchips an. Durch eine Zunahme des Brechungsindexunterschieds weisen die Streupartikel bei erhöhter Temperatur eine größere streuende Wirkung auf als bei Raumtemperatur.
In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils umfasst dieses einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Das Halbleiterbauteil beinhaltet ein Konversionselement, das dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil einer vom Halbleiterchip emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Das Konversionselement weist mindestens einen Leuchtstoff und Streupartikel auf sowie zumindest ein Matrixmaterial. Die Streupartikel sind teilweise oder vollständig in das Matrixmaterial eingebettet. Ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und einem Material der Streupartikel beträgt bei einer Temperatur von 300 K höchstens 0,15. Der Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und dem Material der Streupartikel ist bei einer Temperatur von 380 K größer als bei einer Temperatur von 300 K.
Dem Konversionselement ist also gezielt ein Material in Form der Streupartikel beigegeben, dessen Brechungsindex bei Raumtemperatur in der Nähe des Brechungsindexes des Matrixmaterials liegt. Weiterhin weisen die Streupartikel eine Größe auf, so dass eine lichtstreuende Wirkung erzielt wird. Durch Erwärmung reduziert sich der Brechungsindex des Matrixmaterials, das insbesondere ein Silikon ist. Liegen die Brechungsindices des Matrixmaterials und des Materials der Streupartikel bei Raumtemperatur nahe beieinander, so führt dieses Absenken des Brechungsindexes des Matrixmaterials zu einer starken Änderung der Streuwirkung der Streupartikel bei Temperaturerhöhung.
Eine erhöhte Streuwirkung verändert hierbei einen mittleren Laufweg von vom Halbleiterchip unmittelbar erzeugter Strahlung in dem Konversionselement. Hierdurch erhöht sich auch ein Konversionsgrad, das heißt, mehr vom Halbleiterchip erzeugte Strahlung wird vom Konversionselement in eine andere Strahlung umgewandelt. Dadurch reduziert sich ein Blauanteil der Strahlung, und der Farbort der Mischstrahlung verschiebt sich in Richtung weg von Blau. Hierdurch ist eine Veränderung des Farborts, hervorgerufen durch eine Wellenlängenänderung der vom optoelektronischen Halbleiterchip unmittelbar emittierten Strahlung bei Temperaturänderung, wenigstens teilweise kompensierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weisen die Streupartikel einen mittleren Durchmesser von mindestens 50 nm oder von mindestens 250 nm oder von mindestens 400 nm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt der mittlere Durchmesser der Streupartikel höchstens 20 μm oder höchstens 10 μm oder höchstens 5,5 μm oder höchstens 3 μm. Mit anderen Worten weisen die Streupartikel vergleichsweise große Durchmesser auf. Insbesondere sind die Streupartikel, bezogen auf einen mittleren Durchmesser, deutlich größer als bei Thixotropiermitteln. Es können die Streupartikel eine gezielte Verteilung der mittleren Durchmesser aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils ist das Material der Streupartikel ein Siliziumdioxid, ein Glas, Quarz, ein Siliziumnitrid oder ein Metallfluorid wie Bariumfluorid, Calciumfluorid oder Magnesiumfluorid. Es ist möglich, dass die Streupartikel aus mehreren der genannten Materialien gebildet sind oder dass Streupartikel aus unterschiedlichen Materialien in Kombination eingesetzt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils ist das Matrixmaterial ein Silikon oder ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial, wobei der Brechungsindex des Matrixmaterials bei Raumtemperatur mindestens 1,38 oder mindestens 1,40 und alternativ oder zusätzlich höchstens 1,54 oder höchstens 1,50 oder höchstens 1,48 beträgt. Raumtemperatur bezeichnet hierbei eine Temperatur von 300 K. Beispielsweise liegt der Brechungsindex des Matrixmaterials bei 1,41 oder bei 1,46, mit einer Toleranz von höchstens 0,01.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils ist, bei Raumtemperatur, der Brechungsindex des Matrixmaterials kleiner oder gleich dem Brechungsindex der Streupartikel. Insbesondere weist das Matrixmaterial eine Verkleinerung des Brechungsindexes bei Zunahme der Temperatur auf und das Material der Streupartikel eine Vergrößerung des Brechungsindexes bei Temperaturzunahme, mindestens in einem Temperaturbereich von 300 K bis 400 K. Auch ist es möglich, dass der Brechungsindex des Materials der Streupartikel bei Zunahme der Temperatur ebenfalls abnimmt, dann jedoch schwächer als der Brechungsindex des Matrixmaterials.
Eine Brechungsindexänderung der Streupartikel liegt bei ungefähr 0,1 × 10^–5 K^–1 bis 1 × 10^–5 K^–1 und ist damit im Vergleich zur Brechungsindexänderung des Matrixmaterials, das ein Silikon ist, im Wesentlichen vernachlässigbar. Die Brechungsindexänderung von Silikon beträgt im relevanten Temperaturbereich ungefähr –4 × 10^–4 K^–1.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils liegt ein Gewichtsanteil der Streupartikel, bezogen auf das Matrixmaterial oder das gesamte Konversionselement, bei mindestens 0,5% oder bei mindestens 1%. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Gewichtsanteil höchstens 50% oder höchstens 20% oder höchstens 12% oder höchstens 5%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils liegt der Leuchtstoff in Form von Partikeln vor. Ein mittlerer Durchmesser der Leuchtstoffpartikel liegt dann beispielsweise bei mindestens 2 μm oder bei mindestens 3 μm oder bei mindestens 5 μm. Alternativ oder zusätzlich beträgt der mittlere Durchmesser höchstens 20 μm oder höchstens 15 μm oder höchstens 40 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Halbleiterbauteils sind die Leuchtstoffpartikel zusammen mit den Streupartikeln in das Matrixmaterial eingebettet. Das Konversionselement weist dann bevorzugt genau ein Matrixmaterial auf. Es ist möglich, dass die Leuchtstoffpartikel und die Streupartikel durchmischt sind, insbesondere homogen durchmischt.
Ebenso ist es möglich, dass die Leuchtstoffpartikel teilweise sedimentiert vorliegen und die Streupartikel homogen oder im Wesentlichen homogen verteilt in dem Matrixmaterial vorliegen. Auch können die Leuchtstoffpartikel an einer dem Halbleiterchip zugewandten Seite des Konversionselement eine erhöhte Konzentration aufweisen und die Streupartikel an einer dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Konversionselements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils liegt ein Gewichtsanteil des Leuchtstoffs, bezogen auf das Matrixmaterial oder bezogen auf das gesamte Konversionselement, zwischen einschließlich 5% und 80%. Bevorzugt liegt der Gewichtsanteil zwischen einschließlich 10% und 25% oder zwischen einschließlich 5% und 20% oder zwischen einschließlich 60% und 80%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weisen die Leuchtstoffpartikel einen größeren mittleren Durchmesser auf als die Streupartikel. Beispielsweise unterscheiden sich die mittleren Durchmesser um mindestens einen Faktor 2 oder um mindestens einen Faktor 5 voneinander. Weiterhin ist es möglich, dass eine Anzahl der Streupartikel eine Anzahl der Leuchtstoffpartikel übersteigt, beispielsweise um mindestens einen Faktor 2 oder um mindestens einen Faktor 5 oder um mindestens einen Faktor 10.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils liegen der Leuchtstoff und die Streupartikel undurchmischt vor. Beispielsweise liegt der Leuchtstoff oder die Leuchtstoffpartikel in einem ersten Matrixmaterial und die Streupartikel in einem zweiten Matrixmaterial vor. Ebenso ist es möglich, dass der Leuchtstoff zu einer kompakten Schicht geformt ist und das Matrixmaterial mit den Streupartikeln auf dieser Schicht aufgetragen sind. Ein Abstand zwischen den Streupartikeln und dem Leuchtstoff beträgt hierbei beispielsweise höchstens 250 μm oder höchstens 150 μm oder höchstens 50 μm. Bevorzugt sind der Leuchtstoff und das Matrixmaterial mit den darin insbesondere homogen verteilten Streupartikeln unmittelbar benachbart angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils ist der Leuchtstoff des Konversionselements durch einen einzigen Leuchtstoff gebildet. Bevorzugt ist dann der Leuchtstoff aus genau einem der folgenden Materialien geformt: einem grün emittierenden Orthosilikat mit der Summenformel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSiO₄ mit 0,25 ≤ x < 1, 0 ≤ y ≤ 0,75, 0 < z ≤ 0,5 und 0 < a < 1; einem grün emittierenden Nitrido-Orthosilikat mit der Summenformel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSi(O_a, N_(0,67-0,67a))₄ mit 0,25 ≤ x < 1, 0 ≤ y ≤ 0,75, 0 < z ≤ 0,5 und 0 < a < 1.
Wird auf ein Nitrido-Orthosilikat Bezug genommen, so ist es jeweils möglich, dass dieses alternativ oder zusätzlich die Summenformel AE_(2-1,5x-y)RE_xEu_ySiO_(4-1,5x)N_x aufweist mit 0 < x 0,1 und 0 < y 0,2 und mit AE = Mg, Ca, Sr und/oder Ba sowie RE = Sr, Y und/oder eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoide.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils weist das Konversionselement einen ersten Leuchtstoff und einen zweiten Leuchtstoff auf. Der erste Leuchtstoff ist dazu vorgesehen, im grünen und/oder im grün-gelben Spektralbereich zu emittieren. Der zweite Leuchtstoff ist bevorzugt dazu eingerichtet, langwelliger als der erste Leuchtstoff zu emittieren, bevorzugt im roten Spektralbereich oder im rot-orangen Spektralbereich. Die beiden voneinander verschiedenen Leuchtstoffe können homogen gemischt sein oder schichtartig aufeinander folgen.
Der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff liegen bevorzugt in einer der nachfolgend genannten Materialkombinationen vor:

– grün emittierendes Orthosilikat mit der Formel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSiO₄ mit 0,25 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,75 und 0 ≤ z ≤ 0,5 sowie rot emittierendes Nitrid mit der Formel (Ca_x, Sr_1-x)_2-yEu_yAlSi(N_z, O_(1,5-1,5z))₃ mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 < y ≤ 0,4 und 0 < z ≤ 1,
– grün emittierendes Orthosilikat mit der Formel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSiO₄ mit 0,25 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,75 und 0 ≤ z ≤ 0,5 sowie rot emittierendes Nitrid mit der Formel (Sr_x, Ba_1-x)_2-yEu_ySi₅N₈ mit 0 < x < 1 und 0 < y < 0,3,
– grün emittierendes Nitrido-Orthosilikat mit der Formel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSi(O_a, N_(0,67-0,67a))₄ mit 0,25 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,75, 0 < z ≤ 0,5 und 0 < a < 1 sowie rot emittierendes Nitrid mit der Formel (Ca_x, Sr_1-x)_2-yEu_yAlSi(N_z, O_(1,5-1,5z))₃ mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 < y 0,4 und 0 < z ≤ 1, oder
– grün emittierendes Nitrido-Orthosilikat mit der Formel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSi(O_a, N_(0,67-0,67a))₄ mit 0,25 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,75, 0 < z ≤ 0,5 und 0 < a < 1 sowie rot emittierendes Nitrid mit der Formel (Sr_x, Ba_1-x)_2-yEu_ySi₅N₈ mit 0 < x < 1, 0 < y ≤ 0,3.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils liegt der Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und dem Material der Streupartikel bei 300 K bei höchstens 0,06 oder bei höchstens 0,05 und der Brechungsindexunterschied beträgt bei 400 K mindestens 0,075 oder mindestens 0,065. Alternativ oder zusätzlich ändert sich der Brechungsindexunterschied von 300 K auf 400 K um mindestens 20% oder um mindestens 30%.
Darüber hinaus wird ein Streumittel angegeben. Das Streumittel kann in einem Konversionselement eingesetzt werden, wie in einer oder mehreren Ausführungsformen der oben beschriebenen Halbleiterchips angegeben. Merkmale des Streumittels sind daher auch für den optoelektronischen Halbleiterchip offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Streumittel für ein Konversionselement eingerichtet, wobei das Konversionselement zur Umwandlung einer von einem Halbleiterchip emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge gestaltet ist. Das Streumittel umfasst ein Matrixmaterial sowie Streupartikel, die in das Matrixmaterial eingebettet sind. Ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und einem Material der Streupartikel ist bei einer Temperatur von 300 K kleiner als bei einer Temperatur von 380 K.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil sowie ein hier beschriebenes Streumittel unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 6 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Streukörpern und von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips,
7 eine schematische Darstellung von Farbortverschiebungen bei Temperaturänderungen, und
8 eine schematische Darstellung von Farbortänderungen für verschiedene Streupartikel.
In 1 ist in einer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 gezeichnet. Das Halbleiterbauteil 1 umfasst einen optoelektronischen Halbleiterchip 2, der in einem Gehäuse 4 in einer Ausnehmung angebracht ist. Bei dem Halbleiterchip 2 handelt es sich bevorzugt um eine Leuchtdiode, kurz LED, die blaues Licht emittiert.
Ferner beinhaltet das Halbleiterbauteil 1 ein Konversionselement 3, das dem Halbleiterchip 2 entlang einer Abstrahlrichtung nachgeordnet ist und sich, wie auch der Halbleiterchip 2, in der Ausnehmung des Gehäuses 4 befindet. Das Konversionselement 3 ist dazu eingerichtet, einen Teil der vom Halbleiterchip 2 im Betrieb erzeugten Strahlung zu absorbieren und in eine hiervon verschiedene, langwelligere Strahlung umzuwandeln. Gleichzeitig dient das Konversionselement 3 als Streumittel. Optional ist das Konversionselement 3 linsenartig geformt.
Das Konversionselement 3 umfasst einen Leuchtstoff oder mehrere Leuchtstoffe sowie Streupartikel. Der Leuchtstoff oder die Leuchtstoffe sowie die Streupartikel können homogen verteilt in dem Konversionselement 3 vorliegen. Bei Raumtemperatur weisen die Streupartikel und ein Matrixmaterial, in das der Leuchtstoff sowie die Streupartikel eingebettet sind, einen ungefähr gleichen Brechungsindex auf. Erhöht sich mit dem Einschalten des Halbleiterbauteils 1 eine Temperatur des Halbleiterchips 2 sowie damit des Konversionselements 3, so nimmt ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial des Konversionselements 3 sowie den Streupartikeln in dem Konversionselement 3 zu.
Es ist möglich, dass die Streupartikel einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 2,5 μm und 8,5 μm aufweisen und aus Siliziumdioxid gebildet sind. Das Matrixmaterial weist zum Beispiel bei 300 K einen Brechungsindex zwischen einschließlich 1,36 und 1,48 auf. Ein Gewichtsanteil der Streupartikel an dem Konversionselement 3 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 0,5% und 15% oder zwischen einschließlich 6% und 15%.
Bei einer Temperaturzunahme, beispielsweise von zirka 300 K auf zirka 380 K, verschiebt sich eine unmittelbar vom Halbleiterchip 2 emittierte dominante Wellenlänge beispielsweise um zirka 3 nm bis 5 nm hin zu höheren Wellenlängen. Die dominante Wellenlänge ist insbesondere die Wellenlänge, die sich als Schnittpunkt der Spektralfarblinie der CIE-Normfarbtafel mit einer geraden Linie ergibt, wobei diese gerade Linie, ausgehend vom Weißpunkt in der CIE-Normfarbtafel, durch den tatsächlichen Farbort der Strahlung verläuft.
Da eine maximale Empfindlichkeit des blauen Farbrezeptors im menschliche Auge bei ungefähr 450 nm liegt, verschiebt sich der Farbort der vom Halbleiterchip 2 emittierten Strahlung hin ins Blaue, zumindest falls eine Wellenlänge maximaler Intensität dieser Strahlung bei Raumtemperatur unterhalb von 450 nm liegt, wie vorliegend bevorzugt der Fall. Hierdurch kann eine von dem Halbleiterbauteil 1 abgestrahlte Mischstrahlung, zusammengesetzt aus der unmittelbar vom Halbleiterchip 2 erzeugten Strahlung und der vom Konversionselement 3 umgewandelten Strahlung, bläulicher erscheinen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Farbortverschiebung in Richtung Blau auch dadurch auftreten, dass eine Konversionseffizienz der Leuchtstoffe bei zunehmender Temperatur abnimmt. Auch die Farbortverschiebung aufgrund diesen Effekts ist durch die Kombination der beiden Leuchtstoffe zumindest reduzierbar.
Durch die Zunahme des Brechungsindexunterschieds zwischen dem Matrixmaterial und den Streupartikeln hin zu höheren Temperaturen wird ein Laufweg des im Halbleiterchip 2 erzeugten blauen Lichts in dem Konversionselement 3 erhöht, wodurch eine Konversionseffizienz des Konversionselements 3 ansteigt. Mit anderen Worten wird mehr blaues Licht in zum Beispiel grünes Licht und/oder rotes Licht umgewandelt und somit weniger blaues Licht von dem Halbleiterbauteil 1 emittiert. Hierdurch ist eine Farbortverschiebung nach Einschalten des Halbleiterbauteils 1, hervorgerufen durch eine Änderung der dominanten Wellenlänge der vom Halbleiterchip 2 erzeugten Strahlung bei Temperaturerhöhung, in einer Aufwärmphase des Halbleiterchips 2 vermeidbar oder deutlich reduzierbar.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1 dargestellt. Der Halbleiterchip 2 ist auf einem Träger 5 angebracht. Bei dem Träger 5 handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte oder um eine gedruckte Leiterplatte. Wie auch in den anderen Figuren und wie auch bei dem Gehäuse 4 gemäß 1 sind zur Vereinfachung der Darstellung elektrische Leiterbahnen und/oder Bonddrähte nicht gezeichnet.
An einer Lichtaustrittsseite des Halbleiterchips 2, die dem Träger 5 abgewandt ist, ist ein Leuchtstoffplättchen 36 angebracht. In dem Leuchtstoffplättchen 36 befindet sich der Leuchtstoff oder befinden sich die Leuchtstoffe. Das Leuchtstoffplättchen 36 ist zum Beispiel ein Keramikplättchen, in das Leuchtstoffpartikel eingebettet oder gesintert sind. In eine Richtung weg von dem Träger 5 und in lateraler Richtung um den Halbleiterchip sowie um das Leuchtstoffplättchen 36 herum befindet sich das Matrixmaterial 34 mit den darin eingebetteten Streupartikeln 33. Das Leuchtstoffplättchen 36 befindet sich also zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Matrixmaterial 34 mit den Streupartikeln 33. Das Matrixmaterial 34 mit dem Streupartikel 33 ist haubenartig geformt und bildet zusammen mit dem Leuchtstoffplättchen 36 das Konversionselement 3.
Die Streupartikel 33 weisen zum Beispiel einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 400 nm und 1,5 μm auf und sind aus Siliziumdioxid gefertigt. Der Brechungsindex des Matrixmaterials liegt bei 300 K insbesondere zwischen einschließlich 1,39 und 1,48. Ein Gewichtsanteil der Streupartikel 33, bezogen auf das Matrixmaterial 34, liegt beispielsweise zwischen einschließlich 0,75% und 6% oder zwischen einschließlich 5% und 60%.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind sowohl das Leuchtstoffplättchen 36 als auch das Matrixmaterial 34 mit den Streupartikeln 33 haubenartig geformt. Das Leuchtstoffplättchen 36 kann ein weiteres Matrixmaterial aufweisen, in das die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 befindet sich jeweils zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Leuchtstoffplättchen 36 sowie zwischen dem Leuchtstoffplättchen 36 und dem Matrixmaterial 34 mit den Streupartikeln 33 eine Schicht aus einem Verbindungsmittel 7. Durch das Verbindungsmittel 7, das beispielsweise durch ein Silikon gebildet ist, sind die einzelnen Komponenten aneinander befestigt. Eine Dicke D der Schichten des Verbindungsmittel 7 beträgt beispielsweise jeweils höchstens 20 μm oder höchstens 10 μm. Das Matrixmaterial 34 mit den Streupartikeln 33 überragt den Halbleiterchip 2 optional in einer lateralen Richtung nicht.
Das Konversionselement 3 kann von einem Verguss 6 umgeben sein. Ein solcher Verguss 6 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Der Verguss 6 ist beispielsweise transparent, etwa aus einem Silikon, oder enthält Beimengungen zur Lichtstreuung oder zu einer Lichtfilterung.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 weist das Halbleiterbauteil 1 einen im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterchip 2a und einen im roten Spektralbereich emittierenden Halbleiterchip 2b auf, wobei die Halbleiterchips 2a, 2b gemeinsam auf den Träger 5 montiert sind. Das Konversionselement 3 ist dem im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterchip 2a nachgeordnet. Der im roten emittierende Halbleiterchip 2b kann frei von einem Streumittel sein.
Gemäß 6 ist den Halbleiterchips 2a, 2b, bei denen es sich auch um einen im blauen Spektralbereich und einen im roten Spektralbereich emittierenden Halbleiterchip handeln kann, das Konversionselement 3 gemeinsam nachgeordnet.
In 7 sind für verschiedene Zusammensetzungen des Konversionselements, in Abhängigkeit von der Temperatur T in Grad Celsius, die Änderungen der Farbortkoordinaten Δc_x und Δc_y skizziert, in 7A für die rote Farbkoordinate c_x und in 7B für die grüne Farbkoordinate c_y, bezogen auf die CIE-Normfarbtafel.
Die mit a gekennzeichneten Kurven in den 7A und 7B bezeichnen ein Konversionsmittel, das keine Streupartikel aufweist. Die Kurven b, c, d beziehen sich jeweils auf Konversionselemente 3, wie oben beschrieben. Alle Kurven a–d weisen einen Gewichtsanteil von 10% eines Leuchtstoffs auf, bei dem es sich um ein im grünen Spektralbereich emittierendes Orthosilikat handelt. Ein Gewichtsanteil der Streupartikel, die aus Siliziumdioxid gebildet sind, beträgt bei der Kurve a 0%, bei der Kurve b zirka 5%, bei der Kurve c ungefähr 10% und bei der Kurve d zirka 12,5%.
In 7 ist zu sehen, dass sich die Farbortkoordinaten c_x, c_y bei der Kurve a deutlich verschieben und dass eine Verschiebung durch die Beigabe der Streupartikel hin zu höheren Temperaturen reduzierbar ist, siehe die Kurven b, c, d.
Die Farbortverschiebung Δc_x, Δc_y bezieht sich jeweils auf die von dem Halbleiterbauteil 1 abgestrahlten Mischstrahlung, zusammengesetzt aus der unmittelbar vom Halbleiterchip 2 emittierten Strahlung und der vom Konversionselement 3 umgewandelten Strahlung.
In 8 ist eine Effizienz E gegenüber einer Farbortverschiebung Δc_x + Δc_y für verschiedene Streupartikel angegeben. In 8 ist hierbei lediglich die spektrale Verschiebung eines weißes Licht emittierenden Halbleiterbauteils 1 allein aufgrund der Brechungsindexänderung des Matrixmaterials angegeben. Der Brechungsindex des Matrixmaterials reduziert sich hierbei um ungefähr 0,035, entsprechend einer Temperaturänderung von 25°C auf 120°C. Eine Änderung der Effizienz E aufgrund Temperaturänderungen des Halbleiterchips sind in 8 nicht berücksichtigt. 8 bezieht sich somit nur auf die Änderung der Effizienz E aufgrund des Einflusses der Brechungsindexänderung zwischen dem Matrixmaterial und den Streupartikeln bei der angegebenen Temperaturänderung von 25°C auf 120°C.
Die Kurve a bezieht sich auf Streupartikel mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,8 eines herkömmlichen Diffusors. Bei einer Erhöhung einer Diffusorkonzentration in dem Matrixmaterial, Brechungsindex ungefähr 1,5, erfolgt nur eine Reduzierung der Effizienz E, jedoch keine signifikante Verschiebung des Farborts.
Die Kurve b bezieht sich auf Siliziumdioxid-Kugeln mit einem mittleren Durchmesser von 1 μm als Streupartikel. Die Siliziumdioxid-Kugeln weisen einen Brechungsindex von 1,46 bei Raumtemperatur auf und das zugehörige Matrixmaterial, das ein Silikon ist, einen Brechungsindex von 1,41, ebenfalls bei Raumtemperatur. Die einzelnen Punkte der Kurve b beziehen sich auf einen Gewichtsanteil der Streupartikel von 0%, 1%, 2%, 5% und 10%. Die Effizienz E nimmt hierbei mit zunehmendem Gewichtsanteil der Streupartikel ab, jedoch vergrößert sich eine Farbortverschiebung. Eine bevorzugte Farbortverschiebung von ungefähr 0,02 ist bei einem Gewichtsanteil von bereits ungefähr 1% erreicht.
Bei der Kurve c sind die gleichen Streupartikel eingesetzt wie bei der Kurve b, jedoch weist das Matrixmaterial, das ein Silikon ist, einen höheren Brechungsindex von 1,46 bei Raumtemperatur auf. Es ist zu sehen, dass die Farbortänderung ungefähr der von Kurve b entspricht, jedoch dass die Effizienz E weniger stark abnimmt.
Bei der Kurve e sind mit einem Gewichtsanteil von 2% Siliziumdioxid-Kugeln, Brechungsindex 1,46 bei 300 K, einem Silikon als Matrixmaterial mit einem Brechungsindex von 1,41 bei Raumtemperatur beigegeben. Die Kurve e gibt unterschiedliche mittlere Durchmesser der Streupartikel wieder. Ein besonders günstiges Verhältnis aus Effizienz E und Farbortverschiebung ergibt sich insbesondere bei einer mittleren Größe der Streupartikel von 500 nm.
Die Kurve d bezieht sich auf die gleichen Streupartikel wie die Kurve b, jedoch ist ein Matrixmaterial, das ein Silikon ist, mit einem Brechungsindex von 1,51, mit einer Toleranz von höchstens 0,005 oder höchstens 0,01 oder höchstens 0,03, bei Raumtemperatur eingesetzt. Der Brechungsindex des Matrixmaterials liegt bei Raumtemperatur also höher als der Brechungsindex der Streupartikel. Somit nimmt ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial und den Streupartikeln bei zunehmender Temperatur ab und der Farbort verschiebt sich bei Temperaturänderung hin ins Blaue. Alle Merkmale hinsichtlich des Konversionselements, des Trägers, des Gehäuses, des Vergusses und/oder des Halbleiterchips, wie in Verbindung mit den oben genannten Ausführungsbeispielen angegeben, sind prinzipiell auch für die Ausführungsform gemäß Kurve d heranziehbar.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen aufgeführt ist.

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit – mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung, und – einem Konversionselement (3), das dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil einer vom Halbleiterchip (2) emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, wobei – das Konversionselement (3) mindestens einen Leuchtstoff und Streupartikel (33) aufweist, – das Konversionselement (3) mindestens ein Matrixmaterial (34) umfasst, in das zumindest die Streupartikel (33) eingebettet sind, – ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial (34) und einem Material der Streupartikel (33) bei einer Temperatur von 300 K höchstens 0,15 beträgt, und – der Brechungsindexunterschied bei einer Temperatur von 380 K größer ist als bei 300 K.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Streupartikel (33) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 250 nm und 20 μm aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material der Streupartikel (33) eines der folgenden Materialien ist oder umfasst: Siliziumdioxid, ein Glas, Quarz, Siliziumnitrid, ein Metallfluorid.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Matrixmaterial (34) ein Silikon oder ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial ist und einen Brechungsindex zwischen einschließlich 1,38 und 1,54 aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Gewichtsanteil der Streupartikel (33) an dem Konversionselement (3) zwischen einschließlich 0,5% und 50% liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff in Form von Partikeln vorliegt und zusammen mit den Streupartikeln (33) in das Matrixmaterial (34) eingebettet ist, wobei der Leuchtstoff und die Streupartikel (33) durchmischt sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Gewichtsanteil des Leuchtstoffes zwischen einschließlich 5% und 20% liegt und die Partikel des Leuchtstoffes einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 5 μm und 40 μm aufweisen, der größer ist als der mittlere Durchmesser der Streupartikel (33).
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff und die Streupartikel (33) undurchmischt vorliegen, wobei ein Abstand (D) zwischen den Streupartikeln (33) und dem Leuchtstoff höchstens 250 μm beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff der einzige Leuchtstoff ist und aus genau einem der folgenden Materialien besteht: – einem grün emittierenden Orthosilikat mit der Summenformel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSiO₄ mit 0,25 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,75, 0 < z ≤ 0,5 und 0 < a < 1, – einem grün emittierenden Nitrido-Orthosilikat mit der Summenformel (Ba_x, Sr_y, Ca_1-x-y)_2-zEu_zSi(O_a, N_(0,67-0,67a))₄ mit 0,25 ≤ x < 1, 0 ≤ y ≤ 0,75, 0 < z ≤ 0,5 und 0 < a < 1.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Konversionselement (3) einen ersten Leuchtstoff und einen zweiten Leuchtstoff umfasst, wobei der erste Leuchtstoff dazu vorgesehen ist, grün zu emittieren und der zweite Leuchtstoff dazu vorgesehen ist, rot oder rot-orange zu emittieren.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Brechungsindexunterschied bei 300 K höchstens 0,06 und bei 400 K mindestens 0,075 beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Streupartikel (33) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 2,5 μm und 8,5 μm aufweisen, – das Material der Streupartikel (33) Siliziumdioxid ist, – das Matrixmaterial (34) einen Brechungsindex zwischen einschließlich 1,36 und 1,48 aufweist, – der Halbleiterchip (2) zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet ist, – der Gewichtsanteil der Streupartikel (33) zwischen einschließlich 6% und 15% liegt, und – das Konversionselement (3) den ersten und den zweiten Leuchtstoff aufweist, die gemeinsam mit den Streupartikeln (33) in das Matrixmaterial (34) gemischt sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Streupartikel (33) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 400 nm und 1,5 μm aufweisen, – das Material der Streupartikel (33) Siliziumdioxid ist, – das Matrixmaterial (34) einen Brechungsindex zwischen einschließlich 1,39 und 1,48 aufweist, – der Halbleiterchip (2) zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet ist, – der Gewichtsanteil der Streupartikel (33) zwischen einschließlich 0,75% und 6% liegt, – das Konversionselement (3) den ersten und den zweiten Leuchtstoff aufweist, die in einem keramischen Leuchtstoffplättchen (36) zusammengefasst sind, – die Streupartikel (33) nicht in das Leuchtstoffplättchen (36) eingebracht sind, und – sich das Leuchtstoffplättchen (36) zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Matrixmaterial (34) mit den Streupartikeln (33) befindet.
Streumittel für ein Konversionselement (3), das zur Umwandlung einer von einem Halbleiterchip (2) emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge eingerichtet ist, umfassend – ein Matrixmaterial (34), und – Streupartikel (33), die in das Matrixmaterial (34) eingebettet sind, wobei ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial (34) und einem Material der Streupartikel (33) bei einer Temperatur von 300 K kleiner ist als bei einer Temperatur von 380 K.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit – mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung, und – einem Konversionselement (3), das dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil einer vom Halbleiterchip (2) emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, wobei – das Konversionselement (3) mindestens einen Leuchtstoff und Streupartikel (33) aufweist, – das Konversionselement (3) mindestens ein Matrixmaterial (34) umfasst, in das zumindest die Streupartikel (33) eingebettet sind, – ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial (34) und einem Material der Streupartikel (33) bei einer Temperatur von 300 K höchstens 0,15 beträgt, – der Brechungsindexunterschied bei einer Temperatur von 380 K kleiner ist als bei 300 K, – das Matrixmaterial (34) bei einer Temperatur von 300 K einen größeren Brechungsindex aufweist als ein Material der Streupartikel (33), und – ein Farbort einer von dem Halbleiterbauteil (1) emittierten Mischstrahlung bei einer Temperatur von 380 K ins Blaue verschoben ist, relativ zu einer Temperatur von 300 K.