DE102016104616A1

DE102016104616A1 - Halbleiterlichtquelle

Info

Publication number: DE102016104616A1
Application number: DE102016104616.7A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Stojetz; Alfred Lell; Christoph Eichler; Andreas Löffler
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: US10727645B2; US20190036303A1; DE102016104616B4; CN111430526B; US20200303898A1; CN108884973A; CN108884973B; WO2017157844A1; CN111430526A; US11165223B2

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle (1) einen Halbleiterlaser (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung (P) sowie ein Konversionselement (3) zur Erzeugung einer langwelligeren, sichtbaren Sekundärstrahlung (S) aus der Primärstrahlung (P). Das Konversionselement (3) weist zur Erzeugung der Sekundärstrahlung (S) eine Halbleiterschichtenfolge (30) mit mehreren Quantentopfschichten (31) auf. Die Quantentopfschichten (31) sind bevorzugt dreidimensional geformt, sodass die Quantentopfschichten (31) im Querschnitt gesehen Knicke aufweisen und zumindest stellenweise schräg zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (30) orientiert sind.

Description

Es wird eine Halbleiterlichtquelle angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Halbleiterlichtquelle anzugeben, die eine effizient in einen bestimmten Raumbereich emittierbare und verschiedenfarbig einstellbare Strahlung emittiert.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Halbleiterlichtquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle einen oder mehrere Halbleiterlaser zur Erzeugung einer Primärstrahlung. Dabei können mehrere baugleiche Halbleiterlaser verwendet werden oder auch mehrere verschiedene Halbleiterlaser, insbesondere mit unterschiedlichen Emissionsspektren. Bevorzugt umfasst die Halbleiterlichtquelle genau einen Halbleiterlaser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Primärstrahlung, die von dem mindestens einen Halbleiterlaser im Betrieb erzeugt wird, um ultraviolette Strahlung oder um sichtbares Licht. Beispielsweise liegt eine Wellenlänge maximaler Intensität bei mindestens 250 nm oder 320 nm oder 360 nm oder 400 nm oder 440 nm und/oder bei höchstens 570 nm oder 535 nm oder 525 nm oder 490 nm oder 420 nm. Insbesondere liegt die Wellenlänge maximaler Intensität der Primärstrahlung bei 375 nm oder 405 nm oder 450 nm, jeweils mit einer Toleranz von höchstens 10 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle eines oder mehrere Konversionselemente. Das mindestens eine Konversionselement ist zur Erzeugung einer langwelligeren, sichtbaren Sekundärstrahlung aus der Primärstrahlung eingerichtet. Mit anderen Worten wird durch das Konversionselement die Primärstrahlung vollständig oder teilweise in die Sekundärstrahlung umgewandelt. Die Sekundärstrahlung wird bestimmungsgemäß aus der Halbleiterlichtquelle emittiert und von einem Benutzer wahrgenommen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement zur Erzeugung der Sekundärstrahlung eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine oder mehrere Quantentopfschichten. In der mindestens einen Quantentopfschicht wird die Primärstrahlung absorbiert und über Ladungsträgerrekombination in die Sekundärstrahlung umgewandelt. Mit anderen Worten werden die Quantentopfschichten durch die Primärstrahlung zur Fotolumineszenz angeregt und somit optisch gepumpt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten dreidimensional geformt. Dies kann bedeuten, dass die Quantentopfschichten oder zumindest eine der Quantentopfschichten oder alle Quantentopfschichten, insbesondere im Querschnitt gesehen, einen oder mehrere Knicke aufweisen. Die Quantentopfschichten oder zumindest einige der Quantentopfschichten sind dann, im Querschnitt gesehen, nicht als ununterbrochene, gerade Linien gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft zumindest eine, einige oder alle der Quantentopfschichten im Querschnitt gesehen stellenweise oder vollständig schräg zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des Konversionselements. Mit anderen Worten sind die Quantentopfschichten weder parallel noch senkrecht zur Wachstumsrichtung orientiert, zumindest in bestimmten Bereichen oder auch in Gänze.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft zumindest eine, einige oder alle der Quantentopfschichten im Querschnitt gesehen stellenweise oder vollständig senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des Konversionselements. Die betreffenden Quantentopfschichten können dabei auf die Basisbereiche beschränkt sein und als durchgehende Schichten gestaltet sein oder sich nur innerhalb der Halbleitersäulen befinden oder auch beides.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle zumindest einen Halbleiterlaser zur Erzeugung einer Primärstrahlung sowie mindestens ein Konversionselement zur Erzeugung einer langwelligeren, sichtbaren Sekundärstrahlung aus der Primärstrahlung. Das Konversionselement weist zur Erzeugung der Sekundärstrahlung eine Halbleiterschichtenfolge mit einer oder mehreren Quantentopfschichten auf. Die Quantentopfschichten sind bevorzugt dreidimensional geformt, sodass die Quantentopfschichten im Querschnitt gesehen Knicke aufweisen und/oder zumindest stellenweise schräg zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert sind.
Bei der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle ist ein effizienter, Strahlung erzeugender Halbleiterlaser als Lichtquelle für die Primärstrahlung verwendbar. Durch das Konversionselement ist bei einem bestimmten Halbleiterlaser zur Erzeugung der Primärstrahlung ein Emissionswellenlängenbereich einstellbar, indem verschieden gestaltbare Quantentopfschichten Einsatz finden. Durch die Verwendung fotolumineszierender Quantentopfschichten in dem Konversionselement ist eine hohe Konversionseffizienz erzielbar und die gewünschten spektralen Eigenschaften der Sekundärstrahlung sind durch ein Design der Quantentopfschichten gezielt einstellbar. Somit ist eine hocheffiziente, farbige und auch in ihrer Größe skalierbare Halbleiterlichtquelle insbesondere mit einer gerichteten Abstrahlcharakteristik erzielbar.
Demgegenüber weisen andere skalierbare Lichtquellen mit einer gerichteten Abstrahlcharakteristik wie vertikal emittierende Halbleiterlaser, also mit Halbleiterlasern, die in Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung emittieren, eine nur geringe Effizienz auf. Lichtquellen mit Nanostrukturierungen und mit einer Leuchtstoffkonversionsschicht weisen ebenso eine vergleichsweise geringe Konversionseffizienz auf und bringen Schwierigkeiten bei einer elektrischen Kontaktierung und bei einer Lichtauskopplung mit sich. Weißes Licht emittierende Laserdioden, die mit einem Leuchtstoff versehen sind, benötigen im Regelfall eine aufwändige Optik, um Licht aus dem Leuchtstoff zu fokussieren und effizient auszukoppeln. Somit zeigen solche alternativen Lösungen einen geringen Bauteilwirkungsgrad und eine relativ geringe Konversionseffizienz auf sowie einen komplexeren Aufbau etwa hinsichtlich elektrischer Kontaktierung oder Optik.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterlichtquelle mit einer Toleranz von höchstens 15° oder 10° oder 5° parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des Konversionselements. Ein Abstrahlwinkelbereich des Konversionselements weist eine Halbwertbreite von höchstens 90° oder 70° auf, sodass eine Lichtabstrahlung durch das Konversionselement gerichteter erfolgt, als bei einem Lambert’schen Strahler der Fall. Bei einem Lambert’schen Strahler gilt für eine Intensität I in Abhängigkeit von einem Winkel α und bezogen auf eine maximale Intensität I_max: I(α) = I_max cos α. Bei einem Lambert’schen Strahler ist damit die Halbwertbreite der Abstrahlcharakteristik wesentlich größer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Halbleiterlaser und das Konversionselement unabhängig voneinander epitaktisch gewachsen. Das heißt, bei dem Halbleiterlaser und bei dem Konversionselement handelt es sich um zwei unabhängig voneinander hergestellte Bauteile, die erst in der Halbleiterlichtquelle zusammengeführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform berühren sich das Konversionselement und der Halbleiterlaser nicht. Dies kann bedeuten, dass zwischen dem Halbleiterlaser und dem Konversionselement ein Zwischenbereich mit einem anderen Material vorhanden ist. Der Zwischenbereich ist beispielsweise gasbefüllt oder evakuiert oder durch einen Lichtleiter oder einen transparenten Körper wie ein transparentes Halbleitermaterial überbrückt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Primärstrahlung im Betrieb mit einer Toleranz von höchstens 15° oder 10° oder 5° oder 1° senkrecht zur Wachstumsrichtung in die Halbleiterschichtenfolge eingestrahlt. Mit anderen Worten kann die Einstrahlrichtung der Primärstrahlung senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung des Konversionselements orientiert sein. Weist etwa der Halbleiterlaser in einem Querschnitt gesehen ein gaußförmiges Strahlprofil auf, so bezieht sich die Abstrahlrichtung des Halbleiterlasers auf die Richtung maximaler Intensität. Dies kann entsprechend für andere Abstrahlprofile der Primärstrahlung gelten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Primärstrahlung von dem Halbleiterlaser linienförmig oder in einer elliptischen Abstrahlcharakteristik oder elliptischen Winkelverteilung oder auch linienförmig emittiert. Dies kann bedeuten, dass ein Aspektverhältnis aus einer Breite und einer Länge der Primärstrahlung, insbesondere im optischen Fernfeld gesehen, mindestens 2 oder 5 oder 10 oder 50 beträgt. Durch ein solches Linienprofil der Primärstrahlung ist eine gleichmäßige Ausleuchtung der Halbleiterschichtenfolge des Konversionselements erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser so angeordnet, dass eine Wachstumsrichtung des Halbleiterlasers senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert ist. Dabei liegt die Wachstumsrichtung des Halbleiterlasers bevorzugt parallel zu einer Ebene, die durch die Halbleiterschichtenfolge definiert ist. Mit anderen Worten ist die Wachstumsrichtung des Halbleiterlasers senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge ausgerichtet und somit parallel zu einer Ebene, zu der die Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge senkrecht steht. Dies gilt insbesondere jeweils mit einer Toleranz von höchstens 10° oder 5° oder 1°. Ferner ist die Wachstumsrichtung des Halbleiterlasers bevorzugt senkrecht zur Abstrahlrichtung des Halbleiterlasers ausgerichtet, welche wiederum senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des Konversionselements orientiert sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen sogenannten Streifenlaser, englisch auch als ridge laser bezeichnet. In diesem Fall umfasst der Halbleiterlaser zumindest einen Steg, der aus einer Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers hergestellt ist und der als Wellenleiter für die Primärstrahlung innerhalb des Halbleiterlasers dient.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Primärstrahlung im Betrieb mit einer Toleranz von höchsten 10° oder 5° oder 1° parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des Konversionselements in diese eingestrahlt. In diesem Fall kann eine Abstrahlrichtung des Halbleiterlasers parallel zur Hauptabstrahlrichtung des Konversionselements orientiert sein. Wird aus der Halbleiterlichtquelle sowohl Primärstrahlung als auch Sekundärstrahlung emittiert, so ist es möglich, dass eine Richtung der Primärstrahlung nach Verlassen des Halbleiterlasers nicht oder nicht signifikant verändert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen Basisbereich auf. Bei dem Basisbereich handelt es sich bevorzugt um einen kontinuierlichen, durchgehenden, lückenlosen Bereich der Halbleiterschichtenfolge des Konversionselements. Insbesondere erstreckt sich der Basisbereich senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge. Es ist möglich, dass der Basisbereich frei von Quantentopfschichten ist. Alternativ können sich die Quantentopfschichten in dem Basisbereich befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement mehrere Halbleitersäulen. Die Halbleitersäulen erstrecken sich bevorzugt in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge weg von dem Basisbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform fungiert die Halbleiterschichtenfolge, insbesondere der Basisbereich, als Wellenleiter für die Primärstrahlung innerhalb des Konversionselements. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge und/oder der Basisbereich als Wellenleiter in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleitersäulen als Wellenleiter für die Primärstrahlung in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung und insbesondere auch in Richtung parallel zur Hauptabstrahlrichtung des Konversionselements ausgerichtet. Somit ist durch die Halbleitersäulen eine Abstrahlcharakteristik und speziell die Hauptabstrahlrichtung des Konversionselements bestimmbar. Dabei handelt es sich bei den Halbleitersäulen bevorzugt nicht um einen photonischen Kristall. Die Halbleitersäulen unterscheiden sich von einem photonischen Kristall insbesondere durch größere geometrische Abmessungen und durch eine unregelmäßige oder weniger regelmäßige Anordnung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gelangt die Primärstrahlung von dem Halbleiterlaser freistrahlend zur Halbleiterschichtenfolge. Dies kann bedeuten, dass sich zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Halbleiterlaser keine Optik für die Primärstrahlung befindet und/oder dass ein Bereich zwischen dem Halbleiterlaser und der Halbleiterschichtenfolge vollständig oder überwiegend mit einem Gas gefüllt oder evakuiert ist. Überwiegend kann bedeuten, dass eine optische Wegstrecke zwischen dem Halbleiterlaser und der Halbleiterschichtenfolge zu mindestens 50 % oder 70 % oder 90 % frei von kondensierter Materie ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die mindestens eine Quantentopfschicht an und/oder auf den Halbleitersäulen aufgebracht. Dabei können die Quantentopfschichten eine Form der Halbleitersäulen nachahmen. Insbesondere bilden die Halbleitersäulen einen Kern und die Quantentopfschichten eine Hülle. Ein solcher Aufbau wird auch als Kern-Schale-Aufbau oder englisch core-shell nanorods bezeichnet.
Im Querschnitt gesehen eventuell vorhandene Knicke in den Quantentopfschichten können etwa dadurch zustande kommen, dass die Quantentopfschichten von Seitenflächen der Halbleitersäulen in Richtung hin zu einer Oberseite der Halbleitersäulen abknicken und optional auch wieder zurück hin auf eine gegenüberliegende Seitenfläche abknicken. Die Quantentöpfe können einer Kristallstruktur der darunterliegenden Schichten und/oder der Rods folgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt eine Abstrahlung der Sekundärstrahlung und/oder der Primärstrahlung aus den Halbleitersäulen heraus zu mindestens 50 % oder 70 % oder 85 % an den Spitzen der Halbleitersäulen. Mit anderen Worten sind Bereiche zwischen den Halbleitersäulen und Seitenflächen der Halbleitersäulen dunkel oder signifikant dunkler, speziell im Vergleich zu den Spitzen der Halbleitersäulen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Halbleitersäulen einen mittleren Durchmesser von mindestens 0,5 µm oder 0,7 µm oder 1 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der mittlere Durchmesser bei höchstens 10 µm oder 4 µm oder 3 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Verhältnis aus einer mittleren Höhe und dem mittleren Durchmesser der Halbleitersäulen bei mindestens 2 oder 3 oder 5 und/oder bei höchstens 20 oder 10 oder 7 oder 5. Durch ein solches Verhältnis aus Höhe und Durchmesser können die Halbleitersäulen als Wellenleiter für die Primärstrahlung in Richtung parallel zur Hauptabstrahlrichtung dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten wie Pyramidenmäntel geformt oder aus mehreren Pyramidenmänteln zusammengesetzt. Mit anderen Worten können die Quantentopfschichten ähnlich einem Eierkarton oder einem Noppenschaumstoff gestaltet sein. Dabei sind die Quantentopfschichten bevorzugt wie hexagonale Pyramiden geformt, insbesondere als Relief gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten an zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten von weiteren Schichten der Halbleiterschichtenfolge umgeben. Mit anderen Worten können die Quantentopfschichten in der Halbleiterschichtenfolge eingebettet sein, sodass die Quantentopfschichten keine äußeren Schichten der Halbleiterschichtenfolge darstellen.
Bei den weiteren Schichten handelt es sich beispielsweise um Mantelschichten mit einem relativ niedrigen Brechungsindex zu einer Wellenleitung der Primärstrahlung in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten zur Erzeugung von unterschiedlichen Wellenlängen der Sekundärstrahlung eingerichtet. Dabei können die unterschiedlichen Wellenlängen in verschiedenen Bereichen entlang der Wachstumsrichtung oder in verschiedenen Bereichen parallel zur Wachstumsrichtung erzeugt werden. Beispielsweise sind Quantentopfschichten zur Erzeugung von blauem Licht und/oder von grünem Licht und/oder von gelbem Licht und/oder von rotem Licht vorhanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine spektrale Halbwertbreite der Sekundärstrahlung, die von den Quantentopfschichten erzeugt wird, bei mindestens 40 nm oder 60 nm oder 80 nm. Somit handelt es sich bei der Sekundärstrahlung insbesondere um mischfarbiges Licht, etwa um weißes Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement zusätzlich zu den Quantentopfschichten einen oder mehrere weitere Leuchtstoffe, bevorzugt anorganische Leuchtstoffe. Als Leuchtstoffe sind etwa die in der Druckschrift EP 2 549 330 A1 angegebenen Leuchtstoffe oder auch Quantenpunkte verwendbar. Bei dem zumindest einen Leuchtstoff handelt es sich um einen oder mehrere der folgenden Stoffe: Eu²⁺-dotierte Nitride wie (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃·Si₂N₂O:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr,Ca)[LiA1₃N₄]:Eu²⁺; Granate aus dem allgemeinen System (Gd,Lu,Tb,Y)₃(Al,Ga,D)₅(O,X)₁₂:RE mit X = Halogenid, N oder zweiwertiges Element, D = drei- oder vier-wertiges Element und RE = Seltenerdmetalle wie Lu₃(Al_l-xGa_x)₅O_l2:Ce³⁺, Y3^(Al1-x^Gax⁾5^O12:Ce³⁺; Eu²⁺-dotierte SiONe wie (Ba,Sr,Ca)Si₂O₂N₂:Eu²⁺; SiAlONe etwa aus dem System Li_xM_yLn_zSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_nN_16-n; Orthosilikate wie (Ba,Sr,Ca,Mg)₂SiO₄:Eu²⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Abstrahlfläche des Halbleiterlasers für die Primärstrahlung um mindestens einen Faktor 10 oder 100 oder 1000 kleiner als eine Abstrahlfläche des Konversionselements für die Sekundärstrahlung und/oder die Primärstrahlung. Mit anderen Worten erfolgt in dem Konversionselement eine Vergrößerung einer Abstrahlfläche, relativ zur Abstrahlfläche des Halbleiterlasers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlässt die Primärstrahlung die Halbleiterlichtquelle im bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht. In diesem Fall wird die Primärstrahlung bevorzugt vollständig oder im Wesentlichen vollständig in die Sekundärstrahlung umgewandelt. An einer Lichtaustrittsseite des Konversionselements kann sich zusätzliche eine Filterschicht befinden, die die Primärstrahlung am Verlassen der Halbleiterlichtquelle hindert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Primärstrahlung nur zum Teil in die Sekundärstrahlung umgewandelt. Dies bedeutet insbesondere, dass von der Halbleiterlichtquelle eine Mischstrahlung emittiert wird, die aus der Primärstrahlung und aus der Sekundärstrahlung zusammengesetzt ist. Ein Leistungsanteil der Primärstrahlung an der Mischstrahlung liegt bevorzugt bei mindestens 10 % oder 15 % oder 20 % und/oder bei höchstens 50 % oder 40 % oder 30 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der mindestens eine Halbleiterlaser und das mindestens eine Konversionselement monolithisch integriert. Dies kann bedeuten, dass der Halbleiterlaser und das Konversionselement auf demselben Aufwachssubstrat gewachsen sind und sich bevorzugt noch auf dem Aufwachssubstrat befinden. Ebenso kann dies bedeuten, dass der Halbleiterlaser und das Konversionselement aus einer zusammenhängenden Halbleiterschichtenfolge geformt sind.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Halbleiterlichtquelle 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 18 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen,
19 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle, und
20 schematische Schnittdarstellungen von Spitzen von Halbleitersäulen für Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterlichtquelle 1 gezeigt. Die Halbleiterlichtquelle 1 umfasst einen Halbleiterlaser 2 mit einer aktiven Zone 22. Der Halbleiterlaser 2 weist eine Wachstumsrichtung H auf. An einem Lichtaustrittsbereich 20 tritt eine Primärstrahlung P aus dem Halbleiterlaser 2 aus und wird in Richtung hin zu einem Konversionselement 3 emittiert.
Das Konversionselement 3 der Halbleiterlichtquelle 1 beinhaltet eine Halbleiterschichtenfolge 30, die sich optional auf einem Aufwachssubstrat 38 befindet. Eine Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 30 kann parallel zur Wachstumsrichtung H des Halbleiterlasers 2 orientiert sein.
Die Halbleiterschichtenfolge 30 beinhaltet einen Basisbereich 33 sowie eine Vielzahl von Halbleitersäulen 34. In dem Basisbereich 33 erfolgt eine Führung der Primärstrahlung P in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 30. Durch den Basisbereich 33 ist eine gleichmäßige Verteilung der Primärstrahlung P über das Konversionselement 3 hinweg erzielbar. Von dem Basisbereich 33 gehen die Halbleitersäulen 34 aus. Auf den Halbleitersäulen 34 sind Quantentopfschichten 31 aufgewachsen. Die Quantentopfschichten 31 stellen Hüllen zu den Halbleitersäulen 34 dar. Optional sind die Quantentopfschichten 31 von einer weiteren Halbleiterschicht 36 oder auch von einer Schutzschicht, nicht gezeichnet abgedeckt.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch auf einem Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder wie Al_nGa_mIn_1-n-mAs_kP_1-k, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 sowie 0 ≤ k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 0 < n ≤ 0,8, 0,4 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 sowie 0 < k ≤ 0,5. 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 Al_nIn_1-n-mGa_mN, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen.
Die Halbleitersäulen 34 bilden einen Wellenleiter für die Primärstrahlung P in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung G. An Spitzen 35 der Halbleitersäulen 34 tritt die Primärstrahlung P aus den Halbleitersäulen 34 heraus, durchläuft die Quantentopfschichten 31 und wird in eine Sekundärstrahlung S umgewandelt. Somit wird an den Spitzen 35 eine Mischung aus der Sekundärstrahlung S und der Primärstrahlung P emittiert. Alternativ ist es möglich, dass nur die Sekundärstrahlung S aus dem Konversionselement 3 heraustritt.
Sowohl der Halbleiterlaser 2 als auch das Konversionselement 3 befinden sich auf einem gemeinsamen Träger 4, der auch weitere, nicht gezeichnete elektronische Komponenten etwa zur Ansteuerung des Halbleiterlasers 2 beinhalten kann.
Die Spitzen 35 der Halbleitersäulen 34 sind gemäß 1 pyramidenförmig gestaltet, etwa als Sechseckpyramiden. Im Querschnitt gesehen weisen die Quantentopfschichten 31 daher Knicke auf. Anders als in 1 gezeichnet ist es auch möglich, dass die Quantentopfschichten 31 lediglich auf die Spitzen 35 beschränkt sind, sodass dann ein Bereich zwischen den Halbleitersäulen 34 und/oder Seitenflächen der Halbleitersäulen 34 frei von den Quantentopfschichten 31 ist.
Bei dem Konversionselement 3 handelt es sich um eine Struktur ähnlich einer LED, wobei auf elektrische Kontaktschichten und Stromaufweitungsschichten verzichtet werden kann, da die Sekundärstrahlung S durch Fotolumineszenz erzeugt wird. Durch die Quantentopfschichten ist, etwa durch deren Dicke und/oder Materialzusammensetzung, eine Wellenlänge der Sekundärstrahlung S gezielt über einen weiten Bereich einstellbar. Da keine elektrischen Kontaktschichten oder Stromaufweitungsschichten vorhanden zu sein brauchen, ist eine Effizienz der Fotolumineszenz steigerbar, gegenüber einer Elektrolumineszenz in einer herkömmlichen Leuchtdiode. Ferner ist eine Grundfläche des Konversionselements 3 im Wesentlichen frei skalierbar. Zudem kann eine Lichtstärke der Halbleiterlichtquelle 1 durch Verwendung verschiedener und/oder mehrerer Halbleiterlaser 2 eingestellt werden.
Mit anderen Worten wird die Primärstrahlung P, bei der es sich um Laserstrahlung handelt, in das Konversionselement 3 als Strahlformungselement eingekoppelt, etwa in eine seitliche Chipflanke eines LED-Chips auf der Basis des Materialsystems InGaN mit einem Saphir-Aufwachssubstrat 38. Das Konversionselement 3 enthält einen Wellenleiter mit optisch aktiver Auskoppelstruktur, gebildet durch die Halbleitersäulen 34. Die Primärstrahlung P koppelt in den Basisbereich 33 ein und wird über die Halbleitersäulen 34 ausgekoppelt. Auf einer Oberfläche der als Auskoppelstruktur dienenden Halbleitersäulen 34 befindet sich die optisch aktive Schicht in Form der Quantentopfschichten 31, welche von dem Laserlicht der Primärstrahlung P gepumpt wird. Somit ist eine effiziente, skalierbare Lichtquelle mit einstellbarer Farbe herstellbar, ohne dass teure Optiken verwendet werden müssen.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Halbleiterlaser 2 um einen Laser mit einer Hauptemissionswellenlänge bei ungefähr 405 nm, wie für Blu-Rays verwendet. In diesem Fall wird die Primärstrahlung P bevorzugt vollständig in die Sekundärstrahlung S umgewandelt.
Durch die Wellenleitung der Primärstrahlung P in den Halbleitersäulen 34 und durch die Gestaltung der Spitzen 35 wird erzielt, dass die Sekundärstrahlung und/oder die Primärstrahlung P überwiegend in Richtung parallel oder näherungsweise parallel zur Wachstumsrichtung G emittiert werden, sodass eine dezidierte Hauptabstrahlrichtung M resultiert. Eine Abstrahlung durch das Konversionselement 3 ist damit räumlich enger als im Falle eines Lambert’schen Strahlers.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Abweichend von 1 sind die Halbleitersäulen 34 im Querschnitt gesehen rechteckig geformt, sodass die Spitzen 35 senkrecht zur Wachstumsrichtung G orientiert sind. Ferner ist ein Spiegel 5 vorhanden, der sich zwischen dem optionalen Aufwachssubstrat 38, das insbesondere aus Saphir ist, und dem Träger 4 befindet. Ein solcher Spiegel 5 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein und ist zum Beispiel ein metallischer Spiegel oder ein dielektrischer mehrschichtiger oder einschichtiger Spiele oder eine Kombination aus zumindest einer dielektrischen Schicht und zumindest einer Metallschicht oder Halbleiterschicht.
Ferner ist zusätzlich ein Leuchtstoff 37 in dem Konversionselement 3 vorhanden. Über den Leuchtstoff 37 kann eine zusätzliche Sekundärstrahlung S2, insbesondere in einer anderen Farbe als die Sekundärstrahlung S direkt von den Quantentopfschichten 31, erzeugt werden.
Der Leuchtstoff 37 ist beispielsweise durch anorganische Leuchtstoffpartikel gebildet, die in ein Matrixmaterial, etwa aus einem Silikon oder einem Epoxid, gleichmäßig verteilt eingebettet sind. Eine Erzeugung der Sekundärstrahlung S2 erfolgt bevorzugt im Wesentlichen in Bereichen oberhalb der Spitzen 35 der Halbleitersäulen 34.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 sind die Quantentopfschichten 31 lediglich an den Halbleitersäulen 34 angebracht, die im Querschnitt gesehen als Trapez geformt sind, wobei sich die Halbleitersäulen 34 in Richtung weg von dem Basisbereich 33 verjüngen.
Wie auch in allen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass der Leuchtstoff 37 eine Form der Halbleitersäulen 34 nachahmt, sodass eine Höhe des Leuchtstoffs 37, bezogen auf den Basisbereich 33, direkt über den Halbleitersäulen 34 größer ist als in Bereichen zwischen den Halbleitersäulen 34. Dabei kann eine dem Basisbereich 33 abgewandte Seite des Leuchtstoffs 37 die Halbleitersäulen 34 auch lediglich verschmiert und näherungsweise und nicht exakt nachbilden.
Optional ist es auch möglich, dass Leuchtstoffpartikel in Bereichen zwischen den Halbleitersäulen 34 in einer verminderten Konzentration vorkommen oder dass die Leuchtstoffpartikel auf einen Bereich oberhalb der Spitzen 35 beschränkt sind.
Optional, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, ist ein weiterer Spiegel 5b vorhanden, zusätzlich zu dem Spiegel 5a zwischen dem Träger 4 und der Halbleiterschichtenfolge 30. Der Spiegel 5b ist senkrecht zu einer Strahlrichtung der Primärstrahlung P orientiert. Über den Spiegel 5b kann die Primärstrahlung P in dem Basisbereich 33 gleichmäßiger verteilt werden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass mehr als ein Halbleiterlaser 2 verwendet wird, gemäß 4 sind zwei der Halbleiterlaser 2 vorhanden.
Der Leuchtstoff 37 ist als Platte oder Plättchen ausgebildet mit näherungsweise planparallelen Hauptseiten. Somit ist ein Zwischenraum zwischen benachbarten Halbleitersäulen 34 frei von dem Leuchtstoff 37.
Die Quantentopfschichten 31 befinden sich auf Spitzen der Halbleitersäulen 34, die von dem Basisbereich 33 ausgehen. Optional befindet sich oberhalb der Quantentopfschichten 31, in Richtung weg von dem Basisbereich 33, ein weiteres Halbleitermaterial 36, beispielsweise zu einem Schutz der Quantentopfschichten 31. Somit ist das Plättchen mit dem Leuchtstoff 37 entweder auf dem weiteren Halbleitermaterial 36 oder auch, abweichend von der Darstellung in 4, direkt auf den Quantentopfschichten 31 aufgebracht. Dabei kann der Leuchtstoff 37 beispielsweise über einen transparenten, etwa silikonhaltigen Kleber aufgeklebt werden. Anders als in 4 gezeichnet, kann ein transparenter, optisch nicht aktiver Kleber oder Reste hiervon in einen Bereich zwischen den Halbleitersäulen 34 gelangen.
In den 1 bis 4 sind jeweils unterschiedliche Ausgestaltungen der Halbleitersäulen 34, des Leuchtstoffs 37 sowie der Spiegel 5 gezeichnet. Diese verschiedenen Konfigurationen der einzelnen Komponenten können jeweils auf die anderen Ausführungsbeispiele übertragen werden. Beispielsweise können die Spiegel 5a, 5b aus 3 auch in den Ausführungsbeispielen der 1, 2 und 4 vorhanden sein oder die Halbleitersäulen 34 aus 1 können in den 2, 3 und 4 vorliegen.
Beim Ausführungsbeispiel der 5 sind die Quantentopfschichten 31 aus Pyramidenformen zusammengesetzt, ähnlich einem Noppenschaumstoff. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass auf einer Anwachsschicht 32, die beispielsweise auf GaN basiert, eine Maskenschicht 6, etwa aus Siliziumdioxid, aufgebracht wird. Ausgehend von Öffnungen in der Maskenschicht 6 werden pyramidenförmige Basisbereiche 33 gewachsen, auf denen die Quantentopfschichten 31 entstehen. Optional ist die weitere Halbleiterschicht 36, etwa aus GaN, vorhanden, die zu einer Planarisierung führen kann. Mit anderen Worten werden die Basisbereiche 33 dreidimensional gewachsen, die Quantentopfschichten 31 werden formtreu auf die Basisbereiche 33 aufgebracht und bei der weiteren Halbleiterschicht 36 handelt es sich um eine zweidimensional gewachsene Schicht.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass zusätzlich Mantelschichten 39 mit einem niedrigeren Brechungsindex vorhanden sind, um eine Führung der Primärstrahlung P in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung G zu gewährleisten. Optional vorhandene Spiegel sind in 5 nicht gezeichnet. Ein solcher Spiegel ist beispielsweise in 6 schematisch dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel der 7 ist, abweichend von 5, eine Aufrauhung 7 an einer der Anwachsschicht 32 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 30 vorhanden. Durch eine solche Aufrauhung 7 ist eine Abstrahlcharakteristik beeinflussbar und auch eine effizientere Lichtauskopplung erzielbar.
Beim Ausführungsbeispiel der 8 ist zusätzlich der Leuchtstoff 37 als Schicht an der Halbleiterschichtenfolge 30 vorhanden.
In 9 ist schematisch illustriert, dass das Konversionselement 3 unterschiedliche Halbleitersäulen 34 mit unterschiedlich gestalteten Quantentopfschichten umfasst. Hierdurch wird in verschiedenen Bereichen des Konversionselements 3, in Draufsicht gesehen, eine Sekundärstrahlung S1, S2, S3 mit unterschiedlichen Wellenlängen emittiert. Somit ist es möglich, dass von der Halbleiterlichtquelle 1 mischfarbiges weißes Licht erzeugt wird, insbesondere zusammengesetzt lediglich aus den Sekundärstrahlungen S1, S2, S3.
Gemäß 10 ist zusätzlich ein Spiegel 5 vorhanden, der als Bragg-Spiegel mit mehreren Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex gestaltet sein kann. Ein solcher Spiegel 5, insbesondere aus dielektrischen Schichten zusammengesetzt, kann einen Verlauf hinsichtlich einer Reflexionswellenlänge aufweisen und somit als sogenannter gechirpter Spiegel ausgeführt sein. Der Spiegel 5 bedeckt dabei gemäß 10 eine den Halbleitersäulen 34 abgewandte Unterseite des Basisbereichs 33 sowie eine dem Halbleiterlaser 2 gegenüberliegende Stirnseite des Basisbereichs 33.
Auch in 11 ist ein Spiegel 5 vorhanden. Bei dem Spiegel 5 kann es sich, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, um einen metallischen Reflektor, etwa mit Silber und/oder Aluminium, handeln. Eventuelle Schutzschichten für den Spiegel 5 sind in 11 nicht gezeichnet. Der Spiegel 5 bedeckt eine Bodenfläche und Seitenflächen des Konversionselements 3 vollständig, mit Ausnahme einer Lichteintrittsöffnung für die Primärstrahlung P. Optional ist es möglich, dass eine dem Basisbereich 33 abgewandte Seite der Halbleitersäulen 34 zu einem geringen Teil ringsum an einem Rand von dem Spiegel 5 bedeckt ist.
In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist der Halbleiterlaser 2 auf einer Wärmesenke 81 angebracht und über elektrische Anschlüsse 83 aus einem Gehäusekörper 82 heraus kontaktiert. Die Halbleiterlichtquelle 1 kann als sogenannte TO-Bauform ausgeführt sein.
An einem Träger 38, insbesondere als Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge 30 gestaltet, befindet sich die Halbleiterschichtenfolge 30 bevorzugt mit den Halbleitersäulen 34. Die Primärstrahlung P wird in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 30 in diese eingestrahlt und teilweise in die Sekundärstrahlung S umgewandelt. Somit wird eine Mischung aus der Sekundärstrahlung S und der Primärstrahlung P durch ein Lichtaustrittsfenster 84 hindurch emittiert. Anders als dargestellt, kann das Lichtaustrittsfenster 84 wie auch in allen Ausführungsbeispielen als optisches Element wie eine Linse gestaltet sein.
Gemäß 13 sind mehrere Halbleiterschichten 30 mit unterschiedlichen Quantentopfschichten 31a, 31b vorhanden. Jede der Quantentopfschichten 31a, 31b erzeugt eine Sekundärstrahlung S1, S2 einer bestimmten Farbe. Somit wird durch die Quantentopfschichten 31a, 31b mischfarbiges Licht erzeugt, das frei von der Primärstrahlung P sein kann.
Gemäß 14 befindet sich zwischen dem Halbleiterlaser 2 und dem Konversionselement 3 eine Optik 9, die bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen der 12 und 13 vorhanden ist. Über die Optik 9 wird eine gleichmäßige oder im Wesentlichen gleichmäßige Ausleuchtung der Quantentopfschichten 31 mit der Primärstrahlung P erzielt. Beispielsweise handelt es sich bei der Optik 9 um eine Zylinderlinse.
Beim Ausführungsbeispiel der 15 befinden sich die Quantentopfschichten 21 in dem Basisbereich 33 und sind senkrecht zu der Wachstumsrichtung G orientiert. Abweichend von 15 befinden sich gemäß 16 die Quantentopfschichten 21 in den Halbleitersäulen 34. Es werden hierbei insbesondere zuerst die planaren Quantentopfschichten 31 und ein Bereich für die späteren Halbleitersäulen 34 gewachsen, erst dann werden die Halbleitersäulen 34 etwa durch Ätzen präpariert. Die Quantentopfschichten 31 können somit im Inneren der Halbleitersäulen 34 liegen oder auch unterhalb im Basisbereich 33 als flächiger Quantenfilm.
Im Übrigen kann das hinsichtlich des Halbleiterlasers 2, der Mantelschicht 39, des Aufwachssubstrats 38 und des Leuchtstoffs 37 zu den 1 bis 4 Gesagte entsprechend für 15 und 16 gelten.
Bei der Halbleiterlichtquelle 1 der 17 und 18 sind der Halbleiterlaser 2 und das Konversionselement 3 monolithisch integriert auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat 38 zusammenhängend gewachsen. Dabei befinden sich die Quantentopfschichten 31 in oder nahe einem Wellenleiter des Halbleiterlasers 2 für die Primärstrahlung P, damit aus dem Wellenleiter möglichst viel Primärstrahlung P herausgestreut werden kann und eine effiziente Ankopplung an die Quantentopfschichten 31 erfolgt. Die aktive Zone 22 des Halbleiterlasers 2 und die Quantentopfschichten 31 sind dabei bevorzugt örtlich getrennt voneinander aufgewachsen.
Dabei ist die aktive Zone 22 des Halbleiterlasers 2 in 17 auf einen Bereich neben den Halbleitersäulen 34 beschränkt, in Draufsicht gesehen. Somit sind zum Beispiel die Halbleitersäulen 34 oberhalb des Halbleiterlasers 2, entlang der Wachstumsrichtung G gesehen, entfernt, bevorzugt nicht jedoch der Basisbereich 33. Anders als dargestellt kann sich zwischen dem Halbleiterlaser 2 und dem Konversionselement 3 ein Spalt befinden, etwa um Resonatorspiegel des Halbleiterlasers 2 optimieren zu können.
In 18 ist dargestellt, dass die aktive Zone 22 des Halbleiterlasers 2 sich durchgehend auch über das Konversionselement 3 erstreckt, sodass die Quantentopfschichten 31 und die aktive Zone 22 übereinander gestapelt vorliegen. Etwa zu einer besseren elektrischen Kontaktierung kann der Basisbereich 33 im Gebiet neben den Halbleitersäulen 34 entfernt sein, anders als in 17. Es ist möglich, dass eine Erzeugung der Primärstrahlung P auch auf das Gebiet neben den Halbleitersäulen 34 beschränkt ist, in Draufsicht gesehen, analog zu 17.
In 19 ist zu sehen, dass es sich bei dem Halbleiterlaser 2 um einen sogenannten Streifenlaser, englisch auch als ridge laser bezeichnet, handelt. Die Primärstrahlung P wird linienförmig emittiert. Dabei verläuft die Linie an dem Konversionselement 3 senkrecht zur Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 30. Eine entsprechende Anordnung wird bevorzugt auch in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen der 1 bis 11, 15 oder 16 gewählt.
In 20 sind weitere Formen der Spitzen 35 dargestellt. Solche Spitzen 35 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, wobei innerhalb eines Konversionselements 3 mehrere verschiedene Spitzenarten miteinander kombiniert sein können.
Gemäß 20A ist die Spitze 35 rechteckig gestaltet, im Querschnitt gesehen. Dabei weist die Spitze 35 eine geringere Breite auf als der restliche Teil der Halbleitersäule 34.
Abweichend von den Darstellungen in 20 können die Halbleitersäulen 34 auch je keine speziellen Spitzen aufweisen und im Querschnitt gesehen rechteckig erscheinen, wie etwa in 2 illustriert und wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich. Die Halbleitersäulen 34 können also zylindrisch ohne Spitzenstruktur geformt sein.
In 20B ist gezeigt, dass die Spitze 35 im Querschnitt gesehen dreieckig gestaltet ist, wobei ein Flankenwinkel, im Vergleich etwa zu 1, relativ groß ist, sodass ein Öffnungswinkel des Dreiecks am weitesten weg von dem Basisbereich 33 beispielsweise höchstens 60° oder 45° oder 30° beträgt. Gemäß 20C liegt eine halbkreisförmige Gestalt vor und gemäß 20D eine trapezförmige Gestalt der Spitze 35.
Gemäß 20E ist die Spitze 35 parabelförmig gestaltet und weist einen kleineren Durchmesser auf als verbleibende Bereiche der Halbleitersäule 34, wie dies entsprechend auch in den 20B, 20C oder 20D gelten kann. Schließlich ist, siehe 20F, die Spitze 35 als Stufenpyramide gestaltet.
Ein mittlerer Durchmesser der Halbleitersäulen 34 liegt je bevorzugt bei mindestens λ/4n, wobei λ die Wellenlänge maximaler Intensität der Primärstrahlung P ist und n der Brechungsindex der Halbleitersäulen 34. Bevorzugt liegt der Durchmesser zwischen 5 λ/n und 10 λ/n. Ein typischer Durchmesser kann auch bei ungefähr 2 λ/n liegen. Ein Aspektverhältnis aus einem Durchmesser und einer Höhe der Halbleitersäulen 34 liegt bevorzugt bei höchstens 1 oder 0,5 oder 0,2.
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 angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlichtquelle
2: Halbleiterlaser
20: Lichtaustrittsbereich
22: aktive Zone
3: Konversionselement
30: Halbleiterschichtenfolge
31: Quantentopfschicht
32: Anwachsschicht
33: Basisbereich
34: Halbleitersäule
35: Spitzen der Halbleitersäulen
36: weitere Halbleiterschicht
37: Leuchtstoff
38: Aufwachssubstrat
39: Mantelschicht
4: Träger
5: Spiegel
6: Maskenschicht
7: Aufrauhung
81: Wärmesenke
82: Gehäusekörper
83: elektrische Anschlüsse
84: Lichtaustrittsfenster
9: Optik
G: Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge
H: Wachstumsrichtung des Halbeiterlasers
M: Hauptabstrahlrichtung
P: Primärstrahlung
S: Sekundärstrahlung von den Quantentopfschicht
SL: Sekundärstrahlung vom Leuchtstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2549330 A1 [0037]

Claims

Halbleiterlichtquelle (1) mit – mindestens einem Halbleiterlaser (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung (P), und – mindestens einem Konversionselement (3) zur Erzeugung einer langwelligeren, sichtbaren Sekundärstrahlung (S) aus der Primärstrahlung (P), wobei – das Konversionselement (3) zur Erzeugung der Sekundärstrahlung (S) eine Halbleiterschichtenfolge (30) mit einer oder mehreren Quantentopfschichten (31) aufweist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Quantentopfschichten (31) dreidimensional geformt sind, sodass die Quantentopfschichten (31) im Querschnitt gesehen Knicke aufweisen und zumindest stellenweise schräg zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (30) orientiert sind.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Hauptabstrahlrichtung (M) mit einer Toleranz von höchstens 15° parallel zur Wachstumsrichtung (G) orientiert ist und ein Abstrahlwinkelbereich eine Halbwertbreite von höchstens 90° aufweist, sodass eine Lichtabstrahlung gerichteter erfolgt als bei einem Lambert‘schen Strahler, wobei der Halbleiterlaser (2) und das Konversionselement (3) unabhängig voneinander epitaktisch gewachsen sind und sich nicht berühren.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärstrahlung (P) im Betrieb mit einer Toleranz von höchstens 15° senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) in die Halbleiterschichtenfolge (30) eingestrahlt wird.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der der Halbleiterlaser (2) die Primärstrahlung (P) linienförmig emittiert, wobei der Halbleiterlaser (2) so angeordnet ist, dass eine Wachstumsrichtung (H) des Halbeiterlasers (2) senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (30) orientiert ist, und wobei die Primärstrahlung (P) freistrahlend vom Halbeiterlaser (2) zur Halbleiterschichtenfolge (30) gelangt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Primärstrahlung (P) im Betrieb mit einer Toleranz von höchstens 15° parallel zur Wachstumsrichtung (G) in die Halbleiterschichtenfolge (30) eingestrahlt wird, wobei die Halbleiterschichtenfolge (30) homogen mit der Primärstrahlung (P) beleuchtet wird.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Konversionselement (3) einen durchgehenden Basisbereich (33) und sich von dem Basisbereich (33) weg erstreckende Halbleitersäulen (34) aufweist, wobei die Halbleitersäulen (34) als Wellenleiter für die Primärstrahlung (P) in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (30) wirken.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Quantentopfschichten (31) an und auf den Halbleitersäulen (34) aufgebracht sind, wobei eine Abstrahlung der Sekundärstrahlung (S) und/oder der Primärstrahlung (P) aus den Halbleitersäulen (34) heraus zu mindestens 50 % an Spitzen (35) der Halbleitersäulen (34) erfolgt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der die Halbleitersäulen (34) einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 0,5 µm und 4 µm aufweisen und ein Verhältnis aus einer mittleren Höhe der Halbleitersäulen (34) und dem mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 3 und 10 liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Quantentopfschichten (31) wie Pyramiden geformt oder aus Pyramidenformen zusammengesetzt sind, wobei die Quantentopfschichten (31) an zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten von weiteren Schichten der Halbleiterschichtenfolge (30) umgeben sind.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Quantentopfschichten (31) zur Erzeugung unterschiedliche Wellenlängen der Sekundärstrahlung (S) eingerichtet sind, wobei eine spektrale Halbwertbreite der Sekundärstrahlung (S), die von den Quantentopfschichten (31) erzeugt wird, mindestens 60 nm beträgt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Konversionselement (3) zusätzlich mindestens einen Leuchtstoff (37) umfasst, wobei der Leuchtstoff (37) mit mindestens einer Seltenen Erde dotiert und aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Oxid, Nitrid, Oxinitrid, Granat, Sulfid, Silikat, Phosphat, Halogenid.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Abstrahlfläche des Halbleiterlasers (2) für die Primärstrahlung (P) um mindestens einen Faktor 100 kleiner ist als eine Abstrahlfläche des Konversionselements (3) für die Sekundärstrahlung (S).
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halbeiterschichtenfolge (30) in Richtung senkrecht zu deren Wachstumsrichtung (G) stellenweise oder ganzflächig als Wellenleiter für die Primärstrahlung (P) gestaltet ist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die die Primärstrahlung (P) im bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht verlässt, wobei eine Wellenlänge maximaler Intensität der Primärstrahlung (P) zwischen einschließlich 360 nm und 490 nm liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine Halbleiterlaser (2) und das mindestens eine Konversionselement (3) monolithisch integriert sind.