DE102015120775A1 - Optoelektronisches Bauelement und Hintergrundbeleuchtung für ein Display - Google Patents

Optoelektronisches Bauelement und Hintergrundbeleuchtung für ein Display Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend einen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung im blauen Spektralbereich, ein Konversionselement (4), das im Strahlengang des Halbleiterchips (2) angeordnet ist und zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung aus der Primärstrahlung eingerichtet ist, wobei das Konversionselement (4) zumindest einen ersten Leuchtstoff (9) und einen zweiten Leuchtstoff (10) umfasst, wobei der erste Leuchtstoff (9) Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ und/oder (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist, wobei eine aus dem Bauelement (100) austretende Gesamtstrahlung (G) weißes Mischlicht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung eine Hintergrundbeleuchtung für ein Display.
  • Optoelektronische Bauelemente, insbesondere Leuchtdioden (LEDs), werden für die Hinterleuchtung von LCD-Filtern in modernen Fernsehern, Computermonitoren und vielen anderen Displays eingesetzt. Dies kann entweder direkt oder durch indirekte Ausleuchtung über einen Lichtleiter erfolgen. Zwei wesentliche Anforderungen an diese optoelektronischen Bauelemente sind dabei einerseits eine maximale Helligkeit und andererseits eine Abdeckung eines größtmöglichen Farbraums im CIE-Farbdiagramm. Herkömmliche LCD-Filtersysteme bestehen aus drei beziehungsweise vier Farbfiltern (blau, grün und rot beziehungsweise blau, grün, gelb und rot). Allerdings besitzen diese LCD-Filter eine breite Halbwertsbreite (FWHM, full wide half maximum) im Bereich von typischerweise 70 nm bis 120 nm.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das Strahlung im Betrieb des Bauelements effizient emittiert. Ferner ist es Aufgabe einer Erfindung, eine Hintergrundbeleuchtung für ein Display bereitzustellen, die Strahlung im Betrieb der Hintergrundbeleuchtung effizient emittiert.
  • Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch eine Hintergrundbeleuchtung für ein Display gemäß dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst.
  • In zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip ist zur Erzeugung einer Primärstrahlung im blauen Spektralbereich eingerichtet. Das optoelektronische Bauelement weist ein Konversionselement auf. Das Konversionselement ist im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Das Konversionselement ist zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung aus der Primärstrahlung des Halbleiterchips eingerichtet. Das Konversionselement weist zumindest einen ersten Leuchtstoff und einen zweiten Leuchtstoff auf oder besteht daraus. Der erste Leuchtstoff ist entweder ein Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ oder ein (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ oder eine Kombination aus beiden mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1. Die aus dem optoelektronischen Bauelement austretende Gesamtstrahlung ist weißes Mischlicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Leuchtdiode, kurz LED. Das optoelektronische Bauelement ist dann bevorzugt dazu eingerichtet, weißes Licht zu emittieren.
  • Unter „Gesamtstrahlung“ wird hier und im Folgenden eine Mischstrahlung aus einer von dem zumindest einen Halbleiterchip emittierten Primärstrahlung und einer von dem Konversionselement emittierten Sekundärstrahlung verstanden, die letztendlich das Bauelement verlässt. Das Mischungsverhältnis aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung kann durch die Zusammensetzung und die Konzentration der entsprechenden Leuchtstoffe im Konversionselement geregelt und gesteuert werden. Bei Vollkonversion kann die Gesamtstrahlung auch lediglich die Sekundärstrahlung sein. Bei Teilkonversion kann die Gesamtstrahlung die Summe aus Primärstrahlung des Halbleiterchips und Sekundärstrahlung des Konversionselements sein. Die Sekundärstrahlung kann sich aus einer emittierten Strahlung von dem ersten Leuchtstoff und einer emittierten Strahlung von dem zweiten Leuchtstoff zusammensetzen.
  • Weißes Mischlicht des Bauelements wird hier insbesondere durch Teilkonversion erzeugt. Mit „weiß“ wird hier und im Folgenden bezeichnet, dass die Gesamtstrahlung einen Farbort des CIE-Farbdiagramms mit Cx und Cy Wert entlang des Planckschen Lokus oder bei dessen Isothermen aufweist. Für Hintergrundbeleuchtung liegen die Farborte bevorzugt bei Farbtemperaturen zwischen 7000 K und 25000 K. Beispielsweise kann der Farbort im Bereich von Cx 0,25–0,33 und Cy 0,22–0,33 liegen. Der Farbort bezeichnet hier Punkte in oder auf einem Farbkörper, welcher im Farbraum mit geeigneten Koordinaten in seiner Lage beschrieben wird. Der Farbort repräsentiert die für einen Betrachter wahrgenommene Farbe. Beim Farbort handelt es sich um eine Koordinate oder Koordinaten in von dem CIE (der internationalen Beleuchtungskommission) verabschiedeten Normvalenzsystem. Als CIE Normalvalenzsystem wird hier und im Folgenden auf den Standard von 1931 bezogen. Das CIE-Farbdiagramm bildet die Gesamtheit aller wahrnehmbaren Farben ab, das heißt den sichtbaren Teil der elektromagnetischen Strahlung. Innerhalb dieses Diagramms ist jede beliebige Farbe mittels drei Koordinaten Cx, Cy, Cz definiert, wobei zwei Koordinaten zur Farbbestimmung ausreichen, da die Summe aller drei Koordinaten stets 1 ergeben muss, kann Cz daher leicht aus Cx und Cy errechnet werden. Eine solche Farbkoordinate wird hier als Farbort der Gesamtstrahlung bezeichnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement zumindest einen Halbleiterchip auf. Alternativ kann das optoelektronische Bauelement auch mehr als einen Halbleiterchip, beispielsweise einen weiteren Halbleiterchip, also zwei Halbleiterchips, aufweisen. Die Halbleiterchips können einen gleichen Aufbau aufweisen. Der zumindest eine optoelektronische Halbleiterchip weist eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einem oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn1-n-mGamN, oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn1-n-mGamP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um AlxGa1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 1 handeln. 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.
  • Im Betrieb des zumindest einen Halbleiterchips oder von zwei Halbleiterchips wird jeweils in der aktiven Schicht eine Primärstrahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder das Wellenlängenmaximum der Primärstrahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren und/oder IR-Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm bis einschließlich 800 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und einschließlich 480 nm. Vorzugsweise ist der Halbleiterchip im Betrieb dazu eingerichtet, Primärstrahlung aus dem blauen Spektralbereich zu erzeugen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der blaue Spektralbereich des Halbleiterchips zumindest ein oder genau ein Peakwellenmaximum zwischen einschließlich 380 nm und einschließlich 480 nm auf.
  • Hier und im Folgenden bezeichnen Farbangaben in Bezug auf emittierende Konversionselemente und/oder Gesamtstrahlung und/oder emittierende Halbleiterchips den jeweiligen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen weiteren Halbleiterchip auf. Der weitere Halbleiterchip ist insbesondere dazu eingerichtet, im Betrieb eine weitere Primärstrahlung aus dem blauen Spektralbereich zu emittieren. Dabei ergibt sich die Gesamtprimärstrahlung aus der Primärstrahlung des ersten Halbleiterchips und des weiteren Halbleiterchips. Der Halbleiterchip und der weitere Halbleiterchip sind insbesondere in einer gemeinsamen Ausnehmung eines Gehäuses eines optoelektronischen Bauelements angeordnet. Insbesondere ist dann das Konversionselement als Verguss ausgeformt und umgibt beide Halbleiterchips formschlüssig. Mit „formschlüssig“ wird hier und im Folgenden bezeichnet, dass das Konversionselement sowohl die Strahlungsaustrittsflächen als auch die Seitenflächen der jeweiligen Halbleiterchips direkt mechanisch und/oder elektrisch umgibt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses ein Konversionselement auf. Das Konversionselement ist im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Insbesondere ist das Konversionselement direkt auf dem Halbleiterchip, also auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips, angeordnet. „Direkt“ meint hier und im Folgenden, dass das Konversionselement unmittelbar auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet ist. Es sind also keine weiteren Schichten oder Elemente zwischen dem Halbleiterchip und dem Konversionselement, wie Klebeschichten, vorhanden. Alternativ kann das Konversionselement und der Halbleiterchip auch voneinander räumlich beabstandet sein. Beispielsweise kann zwischen dem Halbleiterchip und dem Konversionselement eine Klebeschicht angeordnet sein.
  • Das Konversionselement ist dazu eingerichtet, die von dem zumindest einen Halbleiterchip emittierte Primärstrahlung oder die Gesamtprimärstrahlung zumindest teilweise zu absorbieren und in eine Sekundärstrahlung, vorzugsweise mit einer Wellenlänge verschieden von der Wellenlänge der Primärstrahlung, insbesondere längerer Wellenlänge, zu konvertieren. Das Konversionselement umfasst zumindest einen ersten Leuchtstoff und/oder einen zweiten Leuchtstoff oder besteht daraus.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Leuchtstoff ein Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ mit 0 ≤ x ≤ 1, vorzugsweise mit 0,5 ≤ x ≤ 1, beispielsweise x = 0,6. Der erste Leuchtstoff kann ein Sr2Si2Al2N6:Eu2+ sein, wenn x = 0 ist. Der erste Leuchtstoff ist mit Europium, insbesondere mit Eu2+, dotiert. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Leuchtstoff weitere Dotanden, beispielsweise aus der Gruppe der seltenen Erden, wie Cer, Yttrium, Terbium, Skandium, Ytterbium und/oder Samarium, aufweisen. Europium oder weitere Dotanden können die Gitterplätze des Sr und/oder Ca teilweise ersetzen.
  • Der Anteil an den Dotanden, insbesondere Europium, kann zwischen 0,1 Gew% und 12 Gew%, beispielsweise 6 Gew% bis 9 Gew%, sein.
  • Der erste Leuchtstoff Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ kann insbesondere einen Farbort Cx zwischen 0,655 und 0,685 und Cy zwischen 0,300 und 0,350 aufweisen. Das Emissionsspektrum des ersten Leuchtstoffs Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ weist insbesondere eine Halbwertsbreite von maximal 82 nm auf. Damit kann ein schmalbandig emittierender erster Leuchtstoff, der insbesondere Strahlung aus dem roten Spektralbereich emittiert, bereitgestellt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Leuchtstoff ein (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ mit 0 ≤ y ≤ 1, vorzugsweise mit 0,5 ≤ y ≤ 1, beispielsweise y = 0,6. Der erste Leuchtstoff kann ein Sr[LiAl3N4]:Eu2+ sein, wenn y = 0 ist. Der erste Leuchtstoff weist eine Europiumdotierung, insbesondere eine Eu2+-Dotierung, auf. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Leuchtstoff (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ weitere Dotanden, beispielsweise aus der Gruppe der seltenen Erden oder Lanthanide, aufweisen. Europium oder weitere Dotanden können die Gitterplätze von Sr und/oder Ca teilweise ersetzen. Der Farbort des ersten Leuchtstoffs Cx ist insbesondere zwischen 0,680 und 0,715 und Cy zwischen 0,280 und 0,320. Das Emissionsspektrum des ersten Leuchtstoffs (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ weist vorzugsweise eine Halbwertsbreite eines Peaks von maximal 55 nm auf.
  • Die hier beschriebenen Farborte sind insbesondere Farborte, die bei einer Anregungswellenlänge des ersten Leuchtstoffs aus dem blauen Spektralbereich, beispielsweise bei 460 nm, erfolgen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der erste Leuchtstoff eine Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 590 nm und einschließlich 640 nm. Insbesondere erfolgt dann die Anregung des ersten Leuchtstoffs bei einer Wellenlänge zwischen 440 nm und 470 nm, beispielsweise 460 nm. Vorzugsweise weist der erste Leuchtstoff Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ eine Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 595 nm bis 625 nm auf. Vorzugsweise weist der erste Leuchtstoff (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ eine Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 623 nm und 633 nm auf. Die Dominanzwellenlänge ist die Wellenlänge, die den Farbton beschreibt, wie ihn das menschliche Auge empfindet. Peakwellenlänge stellt dagegen die Wellenlänge des Maximums der spektralen Verteilung dar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen zweiten Leuchtstoff auf. Der zweite Leuchtstoff ist insbesondere dazu eingerichtet, Strahlung aus dem grünen und/oder gelben Spektralbereich zu emittieren. Insbesondere ist der zweite Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt, die Erdalkaliorthosilikate, SiAlONe, Aluminate und SiONe umfasst. Vorzugsweise ist der zweite Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt, die (Ba,Sr)2SiO4, beta-SiAlON, (Y,Lu)3(Al,Ga)5O12 und Ba-SiON umfasst. Der zweite Leuchtstoff ist insbesondere mit seltenen Erden und/oder Lanthanoiden, beispielsweise mit Europium (Eu2+), Cer (Ce3+) oder Kombinationen daraus, dotiert, wie (Ba,Sr)2SiO4:Eu2+, beta-SiAlON:Eu2+, (Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce3+ und Ba-SiON:Eu2+.
  • Der zweite Leuchtstoff emittiert insbesondere eine Strahlung mit einer Peakwellenlänge aus dem Spektralbereich zwischen einschließlich 510 nm und einschließlich 590 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ein Orthosilikat. Vorzugsweise ist der zweite Leuchtstoff ein Erdalkaliorthosilikat, der mit seltenen Erden, beispielsweise Eu2+, dotiert ist. Insbesondere ist der Orthosilikat ein (Ba,Sr)2SiO4:Eu2+. Der zweite Leuchtstoff emittiert insbesondere eine Strahlung mit einer Peakwellenlänge aus dem Spektralbereich zwischen einschließlich 520 nm und einschließlich 550 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ein beta-SiAlON. Ein beta-SiAlON ist ein keramischer Leuchtstoff, der Elemente aus Silizium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff in einem beliebigen Verhältnis und Zusammensetzung aufweist. Beta-SiAlONe sind dem Fachmann hinreichend bekannt und werden an dieser Stelle daher nicht näher erläutert. Der zweite Leuchtstoff emittiert insbesondere eine Strahlung mit einer Peakwellenlänge aus dem Spektralbereich zwischen einschließlich 520 nm und einschließlich 550 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ein Yttriumaluminiumgranat. Vorzugsweise ist der zweite Leuchtstoff ein (Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce3+. Der Leuchtstoff kann also ein Aluminium und/oder Gallium und Yttrium und/oder Lutetium aufweisen. Zudem kann der zweite Leuchtstoff auch geringe Mengen an Gadolinium und/oder Dysprosium enthalten. Der zweite Leuchtstoff emittiert insbesondere eine Strahlung mit einer Peakwellenlänge aus dem Spektralbereich zwischen einschließlich 530 nm und einschließlich 550 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ein Ba-SiON:Eu2+. Mit anderen Worten weist der zweite Leuchtstoff neben Barium als Erdalkalimetall Silizium, Sauerstoff und Stickstoff in einem beliebigen Verhältnis und Zusammensetzung auf. Ba-SiONe sind dem Fachmann hinreichend bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Der zweite Leuchtstoff emittiert insbesondere eine Strahlung mit einer Peakwellenlänge aus dem Spektralbereich zwischen einschließlich 480 nm und einschließlich 530 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff dazu eingerichtet, Strahlung aus dem grünen und/oder gelben Spektralbereich zu emittieren. Vorzugsweise liegt die Anregungswellenlänge des zweiten Leuchtstoffs im blauen Spektralbereich, beispielsweise bei 460 nm. Insbesondere weisen die zweiten Leuchtstoffe, vorzugsweise der beta-SiAlON, einen Farbort Cx = 0,280 bis 0,330 und Cy von 0,630 bis 0,680 auf.
  • Alternativ kann der Farbort des zweiten Leuchtstoffs, insbesondere für (Ba,Sr)2SiO4:Eu2+, Cx = 0,33 bis 0,380 und Cy = 0,590 und 0,650 sein.
  • Alternativ kann der Farbort, insbesondere für (Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce3+, Cx = 0,340 bis 0,380 und Cy = 0,550 bis 0,580 sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement zumindest einen Halbleiterchip zur Erzeugung einer Primärstrahlung aus dem blauen Wellenlängenbereich und ein Konversionselement, das genau zwei Leuchtstoffe aufweist, auf. Der blau emittierende Halbleiterchip weist beispielsweise eine Peakwellenlänge von einschließlich 380 nm bis einschließlich 480 nm auf. Die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung wird von den beiden Leuchtstoffen, dem ersten Leuchtstoff und zweiten Leuchtstoff, absorbiert und konvertiert. Der erste Leuchtstoff konvertiert zumindest teilweise die Strahlung in eine Sekundärstrahlung aus dem roten Spektralbereich. Der zweite Leuchtstoff konvertiert die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung aus dem grünen oder gelbgrünen Spektralbereich, sodass die Kombination aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlungen weißes Mischlicht ergibt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Primärstrahlung, Sekundärstrahlung des ersten Leuchtstoffs und/oder Sekundärstrahlung des zweiten Leuchtstoffs schmalbandig ausgeformt. Mit anderen Worten weisen die Peaks der entsprechenden Emissionsspektren eine Halbwertsbreite FWHM von maximal 82 nm, vorzugsweise maximal 55 nm, auf. Damit kann ein optoelektronisches Bauelement mit einem großen Farbraum bereitgestellt werden, das effizient Gesamtstrahlung emittiert. Zudem muss weniger Leuchtstoff eingesetzt werden. Damit kann Material und Kosten gespart werden. Zudem ist die Herstellung einfacher und kostengünstiger im Vergleich zu einer LED, die aus drei, einem blau emittierenden, einem grün emittierenden und einem rot emittierenden Halbleiterbauelement aufgebaut sind
  • Vorzugsweise kann ein weiß emittierendes optoelektronisches Bauelement bereitgestellt werden, das kostengünstig und einfach erzeugbar ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff in einem Matrixmaterial dispergiert. Als Matrixmaterial können beispielsweise Silikone, wie Dimethylvinylsiloxane und/oder Vinylalkylpolysiloxane verwendet werden. Alternativ kann als Matrixmaterial auch Epoxyharz oder Hybridmaterialien, beispielsweise Ormocere, verwendet werden.
  • Das Konversionselement ist vorzugsweise direkt auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet. Das Konversionselement, das den ersten Leuchtstoff und zweiten Leuchtstoff dispergiert in einem Matrixmaterial aufweist, kann als Verguss ausgeformt sein. Dabei kann das Konversionselement sowohl die Strahlungsaustrittsfläche als auch die Seitenflächen des zumindest einen Halbleiterchips stoff- und/oder formschlüssig umgeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als Schichtsystem ausgeformt. Das Schichtsystem weist zumindest zwei Schichten, eine erste Schicht und eine zweite Schicht, auf. Die erste Schicht kann den ersten Leuchtstoff aufweisen oder daraus bestehen. Die erste Schicht kann zusätzlich ein Matrixmaterial aufweisen. Die zweite Schicht kann den zweiten Leuchtstoff umfassen oder aus diesem bestehen. Die zweite Schicht kann zusätzlich ein Matrixmaterial aufweisen. Die erste Schicht kann zwischen dem Halbleiterchip und der zweiten Schicht angeordnet sein. Alternativ kann die zweite Schicht zwischen dem Halbleiterchip und der ersten Schicht im Strahlengang der Primärstrahlung angeordnet sein.
  • Ist die erste Schicht zwischen dem Halbleiterchip und der zweiten Schicht angeordnet, so bedeutet dies, dass die erste Schicht dem Halbleiterchip direkt nachgeordnet ist. Ist die zweite Schicht zwischen dem Halbleiterchip und der ersten Schicht angeordnet, so bedeutet dies, dass die zweite Schicht dem Halbleiterchip in Strahlungsrichtung direkt nachgeordnet ist.
  • Die einzelnen Schichten des Schichtsystems des Konversionselements können eine Schichtdicke von 20 µm bis 200 µm aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Schichten des Schichtsystems als Keramik ausgeformt. Alternativ können die Leuchtstoffe der entsprechenden Schichten als Partikel ausgeformt sein und in dem Matrixmaterial eindispergiert sein. Dabei kann der Anteil des dispergierten Leuchtstoffs in dem Matrixmaterial zwischen 1 Gew% und 50 Gew% sein.
  • Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Vorzugsweise wird mit diesem Verfahren das oben beschriebene optoelektronische Bauelement hergestellt. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen für das Verfahren wie oben für das optoelektronische Bauelement angegeben und umgekehrt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements die Schritte auf:
    • A) Bereitstellen eines Halbleiterchips zur Erzeugung einer Primärstrahlung im blauen Spektralbereich,
    • B) Bereitstellen eines Konversionselements, das im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet ist und zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung aus der Primärstrahlung eingerichtet ist. Das Konversionselement weist zumindest einen ersten und zweiten Leuchtstoff auf, wobei der erste Leuchtstoff Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ und/oder (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist. Insbesondere emittiert das Bauelement weißes Mischlicht.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Hintergrundbeleuchtung für ein Display. Vorzugsweise weist die Hintergrundbeleuchtung das oben beschriebene optoelektronische Bauelement auf. Dabei gelten alle gemachten Definitionen und Ausführungen für das optoelektronische Bauelement auch für die Hintergrundbeleuchtung für ein Display und umgekehrt.
  • Insbesondere wird das hier beschriebene optoelektronische Bauelement als Hintergrundbeleuchtung für Fernseher, Computermonitore und andere mögliche Displays, eingesetzt. Alternativ kann das optoelektronische Bauelement auch als Raumbeleuchtung eingesetzt werden.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
  • Die 1 bis 7A jeweils eine Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
  • die 7B eine Draufsicht auf ein optoelektronisches Bauelement der 7A gemäß einer Ausführungsform,
  • die 8A und 8B Emissionsspektren gemäß einer Ausführungsform,
  • die 9A bis 10B CIE-Farbdiagramme und die zugehörigen Daten gemäß einer Ausführungsform.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
  • Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 weist ein Substrat 1 auf. Das Substrat 1 kann beispielsweise ein Halbleiter- oder Keramikwafer, zum Beispiel ein geformtes Material aus Saphir, Silizium, Germanium, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titandioxid, einer lumineszierenden Keramik, wie zum Beispiel YAG, sein. Ferner ist es möglich, dass das Substrat ein Printed Circuit Board, PCB, ein metallischer Leiterrahmen oder eine andere Art von Verbindungsträger ist. Auf dem Substrat 1 kann zumindest ein Halbleiterchip 2 angeordnet sein. Der Halbleiterchip umfasst insbesondere ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial, zum Beispiel Galliumnitrid. Der Halbleiterchip 2 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, im Betrieb des optoelektronischen Bauelements Strahlung aus dem blauen Spektralbereich, beispielsweise zwischen 440 nm und 480 nm, zu emittieren. Dem Halbleiterchip 2 ist ein Konversionselement 4 nachgeordnet. Das Konversionselement 4 ist im Strahlengang des Halbleiterchips 2 angeordnet und dazu eingerichtet, die von dem Halbleiterchip emittierte Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung mit veränderter, meist längerer, Wellenlänge zu konvertieren. Zwischen dem Konversionselement 4 und dem Halbleiterchip 2 kann optional eine Klebeschicht 3 vorhanden sein. Die Klebeschicht 3 kann ein hochbrechendes oder ein niedrigbrechendes Material sein. Das Konversionselement 4 kann einen ersten Leuchtstoff 9 und einen zweiten Leuchtstoff 10 aufweisen. Der erste Leuchtstoff 9, wie Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ und/oder (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1, und der zweite Leuchtstoff 10, wie beispielsweise beta-SiAlON, können in einem Matrixmaterial, beispielsweise in Silikon oder Epoxy, eingebettet sein. Je nach Wahl des Matrixmaterials und nach dessen Brechungsindex kann die Klebeschicht 3 gewählt sein. Das optoelektronische Bauelement 100 kann ferner optional ein Reflexionselement 5, beispielsweise aus Titandioxid, aufweisen. Das Reflexionselement 5 umgibt sowohl die Seitenflächen des Halbleiterchips 2 als auch die Seitenflächen des Konversionselements 4. Das optoelektronische Bauelement 100 ist dazu eingerichtet, als Gesamtstrahlung G weißes Mischlicht zu emittieren.
  • Die 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 der 2 unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass das Bauelement kein Substrat 1 aufweist. Das Bauelement 100 der 2 ist also substratlos und weist Kontaktstege 6 auf. Der Halbleiterchip 2 ist hier insbesondere als Topemitter oder als Saphirflipchip ausgeformt, weist also die zur Kontaktierung erforderlichen Kontaktstege 6 an einer Seitenfläche auf.
  • Die 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die 3 unterscheidet sich von dem Bauelement 100 der 1 dadurch, dass es zusätzlich eine Linse 7 aufweist. Die Linse kann beispielsweise aus Silikon geformt sein und dem Konversionselement 4 direkt, also in direktem mechanischem und elektrischem Kontakt, nachgeordnet sein.
  • Die 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 der 4 unterscheidet sich beispielsweise von dem Bauelement 100 der 1 dadurch, dass das Konversionselement 4 als Schichtsystem 41, 42 ausgeformt ist. Das Konversionselement 4 weist eine erste Schicht 41, die zumindest den ersten Leuchtstoff aufweist, und eine zweite Schicht 42, die zumindest den zweiten Leuchtstoff aufweist, auf. Die beiden Schichten 41, 42 sind durch eine weitere Klebeschicht, die optional vorhanden sein kann, voneinander räumlich getrennt. Im Fall des Bauelements 100 der 4 ist die zweite Schicht 42 zwischen der ersten Schicht 41 und dem Halbleiterchip 2 angeordnet. Die zweite Schicht 42 ist insbesondere dazu eingerichtet, Strahlung aus dem grünen Spektralbereich zu emittieren. Die erste Schicht 41 ist insbesondere dazu eingerichtet, Strahlung aus dem roten Spektralbereich zu emittieren. Der Halbleiterchip 2 ist insbesondere dazu eingerichtet, Primärstrahlung aus dem blauen Spektralbereich zu emittieren, sodass die Gesamtstrahlung G eine Kombination aus der Primärstrahlung des Halbleiterchips 2 und den beiden Sekundärstrahlungen der Schichten 41, 42 des Konversionselements 4 sind. Die Gesamtstrahlung G ist dann insbesondere weißes Mischlicht.
  • Die 5 zeigt eine Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 der 5 unterscheidet sich von dem optoelektronischen Bauelement 100 der 4 dadurch, dass die Schichten 41, 42 des Konversionselements 4 vertauscht sind. Mit anderen Worten ist die erste Schicht 41 bei dem Bauelement 100 der 5 nun zwischen dem Halbleiterchip 2 und der zweiten Schicht 42 angeordnet. Mit anderen Worten ist somit die rot emittierende erste Schicht 41 des Konversionselements 4 dem Halbleiterchip 2 nachgeordnet und die grün, gelb oder grüngelb emittierende zweite Schicht 42 des Konversionselements 4 der rot emittierenden ersten Schicht 41 nachgeordnet.
  • Die 6 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 der 6 ist nahezu identisch wie das optoelektronische Bauelement 100 der 1 aufgebaut mit Ausnahme, dass das Bauelement der 6 zusätzlich eine Schutzdiode (ESD) 8 aufweist. Diese Schutzdiode 8 kann optional in dem Bauelement vorhanden sein und lateral von dem Halbleiterchip 2 beabstandet sein. Die Schutzdiode 8 kann auf dem Substrat 1 innerhalb der Ausnehmung 4 eines Bauelements angeordnet sein. Das Reflexionselement 5 kann Teil eines Gehäuses sein.
  • Die 7A zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement der 7A unterscheidet sich von dem Bauelement 100 der 6 dadurch, dass das Bauelement 100 einen weiteren Halbleiterchip 21 aufweist. Mit anderen Worten weist das Bauelement 100 nun zwei Halbleiterchips 2, 21 auf. Die beiden Halbleiterchips 2, 21 sind lateral voneinander beabstandet und auf dem Substrat 1 angeordnet. Ferner kann optional eine Schutzdiode (ESD) 8 vorhanden sein. Die beiden Halbleiterchips 2, 21 können in einer gemeinsamen Ausnehmung 12 angeordnet sein. Das Konversionselement 4 ist in dem Fall als Verguss ausgeführt und weist vorzugsweise den ersten Leuchtstoff und zweiten Leuchtstoff dispergiert in einem Matrixmaterial auf (hier nicht gezeigt).
  • Die 7B zeigt eine Draufsicht auf ein optoelektronisches Bauelement. Insbesondere zeigt die 7B die Draufsicht auf eine Schutzdiode 8, auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 2 und auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 21.
  • Die 8A und 8B zeigen Emissionsspektren gemäß einer Ausführungsform und jeweils ein Beispiel für das Transmissionsprofil eines blauen 8-1, grünen 8-2 und roten 8-3 Farbfilters. Es ist in beiden Figuren die relative Intensität Irel in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in nm gezeigt. Die 8A und 8B zeigen jeweils die Gesamtemission, also die Emission aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlungen, die Emission eines Halbleiterchips in Verbindung mit einem ersten und einem zweiten Leuchtstoff 8-4. Im Falle der 8A und 8B ist der zweite, hier grün emittierende Leuchtstoff jeweils ein beta-SiAlON. Im Falle der 8A ist der erste Leuchtstoff ein Sr(Ca,Sr)Si2Al2N6:Eu2+. Im Falle der 8B ist der erste Leuchtstoff ein (Sr,Ca)[LiAl3Ni4]:Eu2+. Herkömmliche LCD-Filtersysteme bestehen aus drei (blau, grün und rot) oder vier (blau, grün, gelb und rot) Farbfiltern. Die LCD-Filter besitzen in der Regel eine Halbwertsbreite FWHM von typischerweise 70 nm bis 120 nm, in der die Transmission elektrisch gesteuert werden kann. Hierbei ergibt sich das transmittierte Licht aus der Superposition der Transmission der einzelnen Farbfilter. An den Übergangsstellen zwischen den Filtern im sichtbaren Spektralbereich entstehen somit gewisse Lücken. Folglich wird bei einem breitbandigen nahezu kontinuierlichen Spektrum ein gewisser Teil des emittierten LED-Lichts in den Filtern absorbiert. Um die maximale emittierte Lichtmenge von dem Bauelement bei vollständig geöffneten Filtern auf der Bildschirmoberfläche erhalten zu können, ist es daher vorteilhaft, schmalbandige Leuchtstoffe zu verwenden, die im Bereich der einzelnen Filterkurven emittieren (8A und 8B). Hierbei ist es besonders wichtig, dass die eingesetzten Leuchtstoffe, also die ersten und zweiten Leuchtstoffe, jeweils nur innerhalb eines Filterbereichs emittieren, um einen möglichst großen Farbraum gewährleisten zu können, wobei die Eigenschaften eines optoelektronischen Bauelements durch unterschiedliche Leuchtstoffe entsprechend angepasst werden können. Der Trend geht immer mehr zu größeren Farbräumen, zum Beispiel DCI-P3 oder Rec2020. Daher werden spektral besonders gut angepasste Leuchtstoffe benötigt, die dies ermöglichen.
  • Die 9A und 10A zeigen jeweils ein CIE-Farbnormdiagramm. Es ist die CIEy in Abhängigkeit von CIEx dargestellt. 9-1 oder 10-1 entspricht hier dem Farbraum SRGB, 9-2 oder 10-2 entspricht dem Farbraum DCI-P3, 9-3 oder 10-3 entspricht dem Farbraum Adobe und 9-4 oder 10-4 entspricht dem Farbraum Rec2020. In den Abbildungen ist zusätzlich noch der abgedeckte Farbraum durch die LED und nach Filterbewertung dargesetellt. Dieser durch das Bauteil erreichbare Farbraum deckt sich nahezu perfekt mit dem DCI-P3 Farbraum (9-2 bzw. 10-2). Diese Farbräume sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. Die 9B zeigt jeweils die entsprechende Abdeckung der beschriebenen Farbräume in CxCy bzw. u’v‘ Koordinaten durch ein optoelektronisches Bauelement einer Ausführung bei der die Primärstrahlung durch einen blau emittierenden Halbleiterchip erzeugt wird und die Sekundärstrahlung durch einen ersten Leuchtstoff, der hier Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ ist, und durch einen zweiten Leuchtstoff, der hier ein beta-SiAlON ist. 10B zeigt jeweils die entsprechende Abdeckung der beschriebenen Farbräume in CxCy bzw. u‘v‘ Koordinaten durch ein optoelektronisches Bauelement einer Ausführung bei der die Primärstrahlung durch einen blau emittierenden Halbleiterchip erzeugt wird und die Sekundärstrahlung durch einen ersten Leuchtstoff, der hier (Sr1-yCay)[LiAl3Ni4]:Eu2+ ist, und durch einen zweiten Leuchtstoff, der hier ein beta-SiAlON ist.
  • Die 9A und 9B zeigen die Daten eines Systems aus einem Halbleiterchip, welches Primärstrahlung aus dem blauen Spektralbereich emittiert, eines zweiten Leuchtstoffs beta-SiAlON und eines ersten Leuchtstoffs Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+. Die 10A und 10B zeigen die Daten eines Systems, das einen blau emittierenden Halbleiterchip 2, einen beta-SiAlON als zweiten Leuchtstoff und einen ersten Leuchtstoff vom Typ (Sr1-yCay)[LiAl3N4]Eu2+aufweist. Die Bezugszeichen 9-5 beziehungsweise 10-5 bezeichnen den Weißpunkt des CIE-Farbnormdiagramms.
  • Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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 angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    optoelektronisches Bauelement
    1
    Substrat
    2
    Halbleiterchip
    3
    Klebeschicht
    4
    Konversionselement
    5
    Reflexionselement oder Gehäuse
    6
    Kontaktstege
    7
    Linse
    8
    Schutzelektrode
    9
    erster Leuchtstoff
    10
    zweiter Leuchtstoff
    11
    Matrixmaterial
    G
    Gesamtemission
    12
    Ausnehmung
    21
    weiterer Halbleiterchip
    31
    weitere Klebeschicht
    41
    erste Schicht
    42
    zweite Schicht

Claims (12)

  1. Optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend – einen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung im blauen Spektralbereich, – ein Konversionselement (4), das im Strahlengang des Halbleiterchips (2) angeordnet ist und zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung aus der Primärstrahlung eingerichtet ist, wobei das Konversionselement (4) zumindest einen ersten Leuchtstoff (9) und einen zweiten Leuchtstoff (10) umfasst, wobei der erste Leuchtstoff (9) Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ und/oder (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist, wobei eine aus dem Bauelement (100) austretende Gesamtstrahlung (G) weißes Mischlicht ist.
  2. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei der erste Leuchtstoff (9) Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ einen Farbort Cx zwischen 0,655 und 0,685 und Cy zwischen 0,300 und 0,350 aufweist und/oder wobei das Emissionsspektrum des ersten Leuchtstoffs (9) Sr(Sr1-xCax)Si2Al2N6:Eu2+ eine Halbwertsbreite von maximal 82 nm aufweist.
  3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leuchtstoff (9) (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ einen Farbort Cx zwischen 0,680 und 0,715 und Cy zwischen 0,280 und 0,320 aufweist und/oder wobei das Emissionsspektrum des ersten Leuchtstoffs (9) (Sr1-yCay)[LiAl3N4]:Eu2+ eine Halbwertsbreite von maximal 55 nm aufweist.
  4. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine emittierte Strahlung des ersten Leuchtstoffs eine Dominanzwellenlänge im Bereich von 590 nm bis 640 nm aufweist.
  5. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) einen zweiten Leuchtstoff (10) aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die (Ba,Sr)2SiO4, beta-SiAlON, (Y,Lu)3(Al,Ga)5O12 und Ba-SiON umfasst, wobei der zweite Leuchtstoff (10) mit seltenen Erden dotiert ist und dazu eingerichtet ist, Strahlung mit einer Peakwellenlänge aus dem Spektralbereich zwischen 510 nm und 590 nm zu emittieren.
  6. Optoelektronisches Bauelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Leuchtstoff (10) ein beta-SiAlON ist.
  7. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erste Leuchtstoff (9) und der zweite Leuchtstoff (10) in einem Matrixmaterial (11) dispergiert ist und direkt einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips (2) nachgeordnet ist.
  8. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) als Schichtsystem aus mindestens zwei Schichten (41, 42) ausgeformt ist, wobei die erste Schicht (41) den ersten Leuchtstoff (9) und die zweite Schicht (42) den zweiten Leuchtstoff (10) aufweist, wobei die erste Schicht (41) zwischen dem Halbleiterchip (2) und der zweiten Schicht (42) angeordnet ist.
  9. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) als Schichtsystem aus mindestens zwei Schichten (41, 42) ausgeformt ist, wobei die erste Schicht (41) den ersten Leuchtstoff (9) und die zweite Schicht (42) den zweiten Leuchtstoff (10) aufweist, wobei die zweite Schicht (42) zwischen dem Halbleiterchip (2) und der ersten Schicht (41) angeordnet ist.
  10. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen weiteren Halbleiterchip (21) aufweist, der zur Erzeugung einer weiteren Primärstrahlung im blauen Spektralbereich eingerichtet ist, wobei die Hableiterchips (2, 21) in einer gemeinsamen Ausnehmung (12) angeordnet sind, wobei das Konversionselement (4) als Verguss ausgeformt ist und beide Halbleiterchips (2, 21) formschlüssig umgibt.
  11. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der blaue Spektralbereich ein Peakwellenmaximum zwischen 380 nm und 480 nm aufweist.
  12. Hintergrundbeleuchtung für ein Display, das zumindest ein optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
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