DE102016104875A1

DE102016104875A1 - Optoelektronisches Bauelement, Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements und Blitzlichtbeleuchtung für ein tragbares Gerät

Info

Publication number: DE102016104875A1
Application number: DE102016104875.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Pust; Martin Nömer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21
Also published as: US10629784B2; US20190097096A1; WO2017158052A1

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) als Konversionsmaterial umfasst, wobei der erste Leuchtstoff (9) (La1-xCax)3Si6(N1-yOy)11:Ce3+ 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 ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Ferner betrifft die Erfindung eine Blitzlichtbeleuchtung für ein tragbares Gerät.
Optoelektronische Bauelemente werden vorzugsweise für Blitzlichtanwendungen in tragbaren Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefon oder Kameras, eingesetzt, da sie vorteilhaft ein emittiertes Spektrum, in dem möglichst viele Bereiche des sichtbaren Lichts mit einer ähnlichen Intensität vorhanden sind, aufweisen. Um für Blitzlichtanwendungen genügend Licht zur Verfügung stellen zu können, werden die optoelektronischen Bauelemente kurzzeitig gepulst oder im Dauerbetrieb mit hohen Stromstärken betrieben (Flash). Um ein ausgewogenes optoelektronisches Bauelementspektrum erzeugen zu können, werden typischerweise ein blau emittierender Halbleiterchip, insbesondere mit einer Dominanzwellenlänge zwischen 440 nm und 455 nm, mit einem oder mehreren verschiedenen Leuchtstoffen beschichtet. Für einen hohen Farbwiedergabeindex (CRI > 75) werden in der Regel zwei oder mehr Leuchtstoffe verwendet, um das sichtbare Spektrum ausreichend gut abdecken zu können. Zumeist ist dabei der gelb-grün emittierende Leuchtstoff aus dem Materialsystem der Granate und der rot-orange emittierende Leuchtstoff ein Europium-dotiertes Material. Ein bekanntes Problem ist es, dass Europium-dotierte Verbindungen bei hohen Stromstärken häufig starke Effizienzeinbrüche zeigen, die zur Farbortinstabilität und auch zum Helligkeitsverlust des optoelektronischen Bauelements führen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das Strahlung im Betrieb des Bauelements effizient emittiert. Ferner ist es Aufgabe einer Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das ein effizientes Bauelement herstellt. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, eine Blitzlichtbeleuchtung bereitzustellen, die effizient ist.
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 ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 14 gelöst. Ferner werden diese Aufgaben durch eine Blitzlichtbeleuchtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 15 gelöst.
In zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip ist zur Erzeugung einer Primärstrahlung im blauen Spektralbereich eingerichtet. Das Bauelement weist ein Konversionselement auf. Das Konversionselement ist im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet und ist zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung aus der Primärstrahlung eingerichtet. Das Konversionselement weist zumindest einen ersten Leuchtstoff als Konversionsmaterial auf oder besteht daraus, wobei der erste Leuchtstoff (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1- _yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist. Die aus dem Bauelement austretende Gesamtstrahlung ist weißes Mischlicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Leuchtdiode, kurz LED.
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 oder des Leuchtstoffs 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 oder eines weiteren Leuchtstoffs 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 Planck'schen Lokus oder bei dessen Isothermen aufweist. Für Blitzlichtbeleuchtungen liegen die Farborte bevorzugt bei Farbtemperaturen zwischen 2000 und 8000K. Beispielsweise kann der Farbort im Bereich von Cx 0,3 bis 0,4 und Cy 0,3 bis 0,4 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 für einen Betrachter die wahrgenommene Farbe. Beim Farbort handelt es sich um eine Koordinate oder Koordinaten, in dem von der CIE verabschiedeten Normvalenzsystem. Das CIE-Normvalenzsystem 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 und Cz, definiert, wobei zwei Koordinaten zur Farbbestimmung ausreichen, da die Summe aller drei Koordinaten stets 1 ergeben muss. Daher kann Cz 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 Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um Al_xGa_1-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 Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge aus InGaN auf. Zusätzlich oder alternativ kann die Primärstrahlung ein Wellenlängenmaximum zwischen einschließlich 380 nm und einschließlich 480 nm aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen weiteren Halbleiterchip auf, der zur Erzeugung einer weiteren Primärstrahlung im blauen Spektralbereich eingerichtet ist. Insbesondere sind der Halbleiterchip und der weitere Halbleiterchip in einer gemeinsamen Ausnehmung angeordnet, wobei das Konversionselement als Verguss ausgeformt ist und beide Halbleiterchips formschlüssig umgibt. 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.
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 Bauelement ein Konversionselement auf. Das Konversionselement ist im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Insbesondere ist das Konversionselement direkt auf dem Halbleiterchip, also auf seiner Strahlungsaustrittsfläche, angeordnet. Direkt meint hier und im Folgenden, dass das Konversionselement unmittelbar auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet ist, wobei also keine weiteren Schichten oder Elemente zwischen dem Halbleiterchip und dem Konversionselement, wie beispielsweise Kleberschichten, vorhanden sind.
Alternativ kann das Konversionselement und der Halbleiterchip auch voneinander räumlich beabstandet sein. Beispielsweise kann dann zwischen dem Halbleiterchip und dem Konversionselement eine Kleberschicht angeordnet sein.
Das Konversionselement ist dazu eingerichtet, die von dem zumindest einen Halbleiterchip emittierte Primärstrahlung oder die Gesamtprimärstrahlung, falls mehr als ein Halbleiterchip vorhanden ist, 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. Insbesondere weist das Konversionselement neben dem ersten Leuchtstoff einen zusätzlichen zweiten Leuchtstoff auf oder besteht daraus.
Gemäß zumindest eine Ausführungsform ist der erste Leuchtstoff (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1. Vorzugsweise ist 0,5 ≤ x ≤ 1, beispielsweise x = 0,6. Alternativ oder zusätzlich ist 0,5 ≤ y ≤ 1, beispielsweise y = 0,5. Vorzugsweise ist 0 ≤ x ≤ 0,5, beispielsweise x = 0,1. Alternativ oder zusätzlich ist 0 ≤ y ≤ 0,5, beispielsweise y = 0,1.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Leuchtstoff ein Wellenlängenmaximum zwischen einschließlich 530 nm und einschließlich 570 nm, vorzugsweise zwischen einschließlich 555 nm und einschließlich 560 nm, beispielsweise 557 nm, auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement ausschließlich den ersten Leuchtstoff als Konversionsmaterial auf. Mit anderen Worten weist das Konversionselement also keinen weiteren Leuchtstoff auf, der eine Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung konvertiert. Insbesondere liegt der Farbort des Bauelements auf der Planck'schen Schwarzkörperkurve zwischen 6000K und 3500K. Der erste Leuchtstoff kann in einem nicht emittierenden Matrixmaterial eingebettet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Leuchtstoff einen Farbort für Cx zwischen 0,420 und 0,490 und für Cy zwischen 0,500 und 0,560 auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Leuchtstoff La₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ y ≤ 0,05.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement ausschließlich einen Cer-dotierten Leuchtstoff oder mehrere Cer-dotierte Leuchtstoffe als Konversionsmaterialien auf. Vorzugsweise weist das Konversionselement lediglich den ersten Leuchtstoff, der ein Cer-dotierter Leuchtstoff ist, als Konversionsmaterial auf oder besteht daraus. Der erste Leuchtstoff kann stärker rot verschobene Farborte erreichen als beispielsweise ein Granat, wie (Y,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺. Es lassen sich auch in einer Mischung aus mehreren Cer-dotierten Leuchtstoffen niedrigere Farbtemperaturen (CCTs) erreichen als beispielsweise mit Materialien vom Granattyp. Dabei zeigen Cer-dotierte Leuchtstoffe in der Regel eine bessere Stabilität gegenüber Hochstromquenchen als beispielsweise Europium-dotierte Leuchtstoffe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen zweiten Leuchtstoff auf. Der zweite Leuchtstoff ist vorteilhaft ein Cer-dotierter (Y,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂. Das weiße Mischlicht des Bauelements setzt sich aus der Primärstrahlung des Halbleiterchips, der emittierten Strahlung des ersten Leuchtstoffs und der emittierten Strahlung des zweiten Leuchtstoffs zusammen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die (Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+, Sr(Ca, Sr)Si2Al2N6:Eu2+,
(Sr,Ca)AlSiN3·Si2N2O:Eu2+, (Ca,Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+,
(Sr,Ca)[LiAl3N4]:Eu2+ und (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+ umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ein Europium-dotierter (Ca,Sr)AlSiN₃ oder (Ba,Sr)₂Si₅N₈. Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden der erste Leuchtstoff und gegebenenfalls der zweite Leuchtstoff in einem Matrixmaterial eindispergiert. Zusätzlich ist das Konversionselement direkt auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet oder dieser nachgeordnet. Als Matrixmaterial kann beispielsweise Silikon, wie Dimethylvinylsiloxan und/oder Vinylalkylpolysiloxan, verwendet werden. Alternativ kann als Matrixmaterial auch Epoxyharz oder Hybridmaterialien, beispielsweise Ormocere, verwendet werden. Dabei kann der Anteil des dispergierten ersten Leuchtstoffs oder aller Konvertermaterialien in dem Matrixmaterial zwischen 1 Gew% und 50 Gew% sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als Schichtsystem ausgeformt. Das Schichtsystem umfasst zumindest zwei Schichten, wobei die erste Schicht den ersten Leuchtstoff und die zweite Schicht den zweiten Leuchtstoff aufweist. Insbesondere ist die zweite Schicht zwischen dem Halbleiterchip und der ersten Schicht angeordnet. Alternativ ist die erste Schicht zwischen dem Halbleiterchip und der zweiten Schicht angeordnet.
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 ist das Konversionselement als Keramik ausgeformt.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung des ersten Leuchtstoffs (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 im Konversionselement ein stärker rötlich verschobener Farbort bei niedrigeren CCTs erzeugt werden kann, verglichen mit Granat-Leuchtstoffen, wie beispielsweise (Y,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺. Zudem zeigt das optoelektronische Bauelement eine weniger starke Farbortverschiebung über den Strom und einen geringeren Helligkeitsverlust, da ausschließlich Cer-dotierte Leuchtstoffe verwendet werden und damit ein mögliches Quenchen bei Hochströmen vermieden wird. Zum anderen ist durch die Verwendung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements eine höhere Stromdichte möglich.
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 des Verfahrens weist dieses 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, wobei das Konversionselement zumindest einen ersten Leuchtstoff als Konversionsmaterial umfasst, wobei der erste Leuchtstoff (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist, wobei eine aus dem Bauelement austretende Gesamtstrahlung weißes Mischlicht ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Blitzlichtbeleuchtung für ein tragbares Gerät. Vorzugsweise weist die Blitzlichtbeleuchtung das oben beschriebene optoelektronische Bauelement auf. Dabei gelten alle gemachten Definitionen und Ausführungen für das optoelektronische Bauelement auch für die Blitzlichtbeleuchtung und umgekehrt.
Insbesondere wird die hier beschriebene Blitzlichtbeleuchtung für tragbare Geräte, insbesondere für Mobiltelefone oder Kameras, eingesetzt.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Die 1 bis 7D jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
die 8 ein CIE-Farbdiagramm gemäß einer Ausführungsform, und
die 9 ein Emissionsspektrum gemäß einer Ausführungsform.
In den Ausführungsbeispielen von 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 100 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 kann zumindest ein Halbleiterchip 2 angeordnet sein. Der Halbleiterchip 2 kann beispielsweise ein Indiumgalliumnitrid-Halbleiterchip sein. Der Halbleiterchip 2 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, im Betrieb des optoelektronischen Bauelements 100 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 Kleberschicht 3 vorhanden sein. Die Kleberschicht 3 kann ein hochbrechendes oder ein niedrigbrechendes Material sein. Das Konversionselement 4 kann zumindest den ersten Leuchtstoff 9 (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 aufweisen. Optional kann das Konversionselement 4 einen zusätzlichen zweiten Leuchtstoff 10 aufweisen. Die Leuchtstoffe oder der Leuchtstoff 9, 10 können in einem Matrixmaterial, beispielsweise aus Silikon, eingebettet sein. Je nach Wahl des Matrixmaterials und nach dessen Brechungsindex kann die Kleberschicht gewählt sein. Das optoelektronische Bauelement kann ferner optional ein Reflexionselement 5, beispielsweise aus Titandioxid, aufweisen. Das Reflexionselement 5 umgibt sowohl die Seitenflächen des Halbleiterchips als auch die Seitenflächen des Konversionselements 4. Das optoelektronische Bauelement 100 ist dazu eingerichtet, als Gesamtstrahlung G weißes Mischlicht zu emittieren.
Erfindungsgemäß wird ein Konversionselement bereitgestellt, das zumindest aus einem oder mehreren Cer-dotierten Leuchtstoffen geformt ist. Das Konversionselement weist zumindest den ersten Leuchtstoff (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1- _yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 auf. Weitere Leuchtstoffe können in dem Konversionselement, beispielsweise der zweite Leuchtstoff (Y,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, vorhanden sein. Alternativ kann auch der erste Leuchtstoff mit einer anderen stöchiometrischen Zusammensetzung und damit einem anderen Emissionsverhalten in dem Konversionselement 4 vorhanden sein. Die Leuchtstoffe können in Silikon-, Epoxy- oder Hybridmaterialien eingebettet sein. Alternativ können die Leuchtstoffe auch als Keramik ausgeformt sein. Dabei sind die Wahl der Mischungsverhältnisse und die Konzentration der Leuchtstoffe von der jeweiligen Farbtemperatur des weißen optoelektronischen Bauelements abhängig. Vorzugsweise liegt die Farbtemperatur im Bereich von 1000 bis 20000 K, besonders bevorzugt im Bereich von 2300 bis 7500 K. Die Emissionsfarborte des weißen optoelektronischen Bauelements liegen vorzugsweise in der Nähe beziehungsweise auf dem Planck'schen Lokus oder auf der Planck'schen Schwarzkörperkurve beziehungsweise in der Nähe oder auf den jeweiligen Isothermen. Das Konversionselement 4 wird auf einem blau emittierenden Halbleiterchip 2 aufgebracht. Insbesondere ist der Halbleiterchip 2 ein Indiumgalliumnitrid-Chip mit einem Wellenlängenmaximum im Bereich von 380 nm bis 480 nm. Die Farborte des ersten Leuchtstoffs können im Bereich von Cx zwischen 0,420 und 0,490 und für Cy zwischen 0,500 und 0,560 für eine Anregungswellenlänge von 455 nm sein. Die Peakwellenlängen des ersten Leuchtstoffs können bei einer Anregungswellenlänge von 455 nm im Bereich zwischen einschließlich 530 nm und einschließlich 570 nm sein.
Alternativ können auch mehr als ein Halbleiterchip in dem optoelektronischen Bauelement vorhanden sein. Insbesondere sind die weiteren Halbleiterchips zur Emission einer weiteren Primärstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 380 nm und 480 nm eingerichtet. Auch auf dem weiteren Halbleiterchip kann ein Konversionselement 4, das insbesondere einen Cer-dotierten ersten Leuchtstoff aufweist, vorhanden sein. Zusätzlich können noch weitere, beispielsweise ein zweiter Leuchtstoff, in dem Konversionselement 4 vorhanden sein. Die resultierenden Farborte des weißen optoelektronischen Bauelements sind dabei wie oben beschrieben analog.
Bevorzugt wird der korrespondierende Farbort auf der Planck'schen Schwarzkörperkurve bei einem Betrieb mit gleichem Strom für die Halbleiterchips, insbesondere für zwei Halbleiterchips, erreicht. Beispielsweise kann eine Isotherme im Bereich von 1000 K bis 5000 K liegen und die zweite Isotherme kann im Bereich von 5001 bis 20000 K liegen. Bevorzugt liegen eine Isotherme im Bereich von 2300 K bis 4500 K und die andere Isotherme im Bereich von 4501 K bis 7500 K. Dabei ist es möglich, dass mehrere Halbleiterchips einen gemeinsamen Lichtweg haben. Mit anderen Worten weist dieses optoelektronische Bauelement einen modularen Aufbau auf. Alternativ kann auch jeder Halbleiterchip seinen separaten Lichtweg oder Strahlengang aufweisen. Die Farborte der Materialien des ersten Leuchtstoffs können beispielsweise bei einer Anregungswellenlänge von 455 nm im Bereich von Cx = 0,420 bis 0,490 und für Cy = 0,500 bis 0,560 liegen. Die Peakwellenlänge des ersten Leuchtstoffs kann bei einer Anregungswellenlänge von 455 nm im Bereich von 530 nm bis 570 nm liegen.
Die 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 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 Flip-Chip ausgeformt, weist also die zur Kontaktierung erforderlichen Kontaktstege 6 an einer Seitenfläche auf.
Die 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 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 100 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 9 aufweist, und eine zweite Schicht 42, die zumindest den zweiten Leuchtstoff 10 aufweist, auf. Die beiden Schichten 41, 42 sind durch eine weitere Klebeschicht 31, 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 100 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 6A 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 6B zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement der 6B unterscheidet sich von dem Bauelement 100 der 6A 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 9 und zweiten Leuchtstoff 10 dispergiert in einem Matrixmaterial auf (hier nicht gezeigt).
Die 7A und 7B zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform.
Das Bauelement 100 der 7A unterscheidet sich von dem Bauelement der 1 dadurch, dass das Bauelement der 7A zusätzlich eine Linse 7 aufweist. Die Linse 7 kann beispielsweise aus Silikon geformt sein. Die Linse 7 ist insbesondere dem Konversionselement 4 direkt nachgeordnet.
Das optoelektronische Bauelement 100 der 7B unterscheidet sich von dem Bauelement der 2 dadurch, dass das Bauelement der 7B zusätzlich eine Linse 7 aufweist, die dem Konversionselement 4 direkt nachgeordnet ist.
Die 7C zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 der 7C weist zwei Halbleiterchips 2 auf, die jeweils auf einem Substrat 1, also insgesamt zwei Substrate 1, angeordnet sind. Den jeweiligen Halbleiterchips 2 sind eine Konversionsschicht 4 nachgeordnet. Die Konversionsschicht 4 und der Halbleiterchip 2 sind optional durch eine Kleberschicht 3 voneinander separiert. Optional können der Halbleiterchip und das Konversionselement in einem Reflektorverguss 5 beispielsweise aus Titandioxid jeweils eingebettet sein. Die beiden Halbleiterchips 2 weisen eine gemeinsame Linse 7 auf, die stoff- und formschlüssig auf der Strahlungsaustrittsfläche der jeweiligen Konversionselemente 4 angeordnet ist.
Die 7D zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Auch das Bauelement 100 der 7D weist zwei Halbleiterchips 2 auf. Im Vergleich zu dem Bauelement 100 der 7C unterscheidet sich das Bauelement 100 der 7D dadurch, dass jeder Halbleiterchip 2 seine eigene Linse 7 aufweist. Alternativ können im Vergleich zu den Bauelementen 100 der 7C und 7D ein optoelektronisches Bauelement 100 auch mehr als zwei Halbleiterchips, beispielsweise vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn Halbleiterchips, vorhanden sein. Mehrere Halbleiterchips können eine gemeinsame Linse 7 oder jeder Halbleiterchip kann seine eigene separate Linse 7 aufweisen.
Die in den 1 bis 7D außer 2 gezeigten optoelektronischen Bauelemente 100 können alternativ auch kein Substrat 1 aufweisen. Das optoelektronische Bauelement 100 der 2 kann alternativ zusätzlich ein Substrat 1 aufweisen, das insbesondere der der Strahlungsaustrittsfläche abgewandten Seite des Halbleiterchips 2 angeordnet ist.
Die 8 zeigt ein CIE-Farbnormdiagramm. Es ist die Cy-Koordinate in Abhängigkeit von der Cx-Koordinate dargestellt. Die Kreise 8-1 bis 8-3 zeigen jeweils einen ersten Leuchtstoff. Die Leuchtstoffe unterscheiden sich in ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung und ihrem Dotierungsgrad gemäß der Summenformel La3Si6(N1-yOy)11:Ce3+ mit 0 ≤ y ≤ 0,05. Der mit 8-1 gekennzeichnete erste Leuchtstoff weist einen Farbort von Cx 0,42 bis 0,44 und Cy 0,53 bis 0,57 auf. Der mit 8-2 gekennzeichnete erste Leuchtstoff weist einen Farbort von Cx 0,43 bis 0,48 und Cy 0,51 bis 0,56 auf. Der mit 8-3 gekennzeichnete erste Leuchtstoff weist einen Farbort von Cx 0,45 bis 0,49 und Cy 0,50 bis 0,55 auf.
Die Nummerierung 8-0 zeigt hier den Farbort der Primärstrahlung. Die Kurve 12 zeigt die Planck'sche Schwarzkörperkurve. Das Viereck 8-4 zeigt 4000 K ANSI. ANSI ist die Abkürzung für „American National Standards Institute“. Hier wird von ANSI ein bestimmter Farbtemperatur-Bereich, hier 4000 K standardisiert. Das heißt, wenn der Farbort bzw. die CCT innerhalb des entsprechenden aufgespannten Vierecks variiert, kann sie dennoch nach ANSI als 4000 K bezeichnet werden. Entsprechendes gilt auch für die anderen Farbtemperaturen. Das Viereck 8-5 zeigt 4500 K ANSI. Das Viereck 8-6 zeigt 5000 K ANSI. Das Viereck 8-7 zeigt 5700 K ANSI und das Viereck 8-8 zeigt 6500 K ANSI. Aus dem CIE-Farbnormdiagramm ist erkennbar, dass die Verwendung eines blau emittierenden Halbleiterchips und zumindest eines ersten Leuchtstoffs ein Bauelement erzeugt werden kann, das effizient weißes Mischlicht emittiert.
Die 9 zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung gemäß einer Ausführungsform. Das Emissionsspektrum zeigt die Primärstrahlung des Halbleiterchips 2 aus dem blauen Spektralbereich, sowie die Sekundärstrahlung des Konversionselements 4, das im Strahlengang des Halbleiterchips 2 angeordnet ist. Das Konversionselement 4 weist den ersten Leuchtstoff 9 als Konversionsmaterial (La_1- _xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 auf. Die Gesamtstrahlung ist weißes Mischlicht bei 4500 K.
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
12: Planck'sche Schwarzkörperkurve

Claims

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) als Konversionsmaterial umfasst, wobei der erste Leuchtstoff (9) (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist, wobei eine aus dem Bauelement (100) austretende Gesamtstrahlung (G) weißes Mischlicht ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei der erste Leuchtstoff (9) ein Wellenlängenmaximum zwischen einschließlich 530 nm und einschließlich 570 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) ausschließlich den ersten Leuchtstoff (9) als Konversionsmaterial aufweist, wobei der Farbort des Bauelements auf der Planck'schen-Schwarzkörperkurve zwischen 6000 K und 3500 K liegt.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (2) eine Halbleiterschichtenfolge aus InGaN aufweist und die Primärstrahlung ein Wellenlängenmaximum zwischen einschließlich 380 nm und einschließlich 480 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leuchtstoff (9) einen Farbort für Cx zwischen 0,420 und 0,490 und für Cy zwischen 0,5000 und 0,560 aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leuchtstoff (9) La₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ y ≤ 0,05 ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) einen zweiten Leuchtstoff aufweist, so dass das weiße Mischlicht des Bauelements aus der Primärstrahlung des Halbleiterchips (2), der emittierten Strahlung des ersten und zweiten Leuchtstoffs (9, 10) erzeugt ist, wobei der zweite Leuchtstoff (10) ein Ce-dotierter (Y,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂ ist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die (Ca, Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca, Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃*Si₂N₂O:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr,Ca)[LiAl₃N₄]:Eu²⁺ und (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺ umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) ausschließlich Cer-dotierte Leuchtstoffe als Konversionsmaterialien aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erste Leuchtstoff (9) und der zweite Leuchtstoff (10) in einem Matrixmaterial (11) dispergiert sind und direkt einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips (2) nachgeordnet ist, wobei das Matrixmaterial (11) ein Silikon-, Epoxy- oder Hybridmaterial ist.
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.
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.
Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) als Keramik ausgeformt ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit den Schritten: A) Bereitstellen eines Halbleiterchips (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung im blauen Spektralbereich, B) Bereitstellen eines Konversionselements (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) als Konversionsmaterial umfasst, wobei der erste Leuchtstoff (9) (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺ mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist, wobei eine aus dem Bauelement (100) austretende Gesamtstrahlung (G) weißes Mischlicht ist.
Blitzlichtbeleuchtung für ein tragbares Gerät, das zumindest ein optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.