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Es wird ein Konverter zur teilweisen Konversion einer Primärstrahlung angegeben. Darüber hinaus wird ein lichtemittierendes Bauelement angegeben.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Konverter anzugeben, mit dem besonders homogenes Mischlicht erzeugt werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein lichtemittierendes Bauelement anzugeben, welches Licht besonders homogen abstrahlt.
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Es wird ein Konverter angegeben. Der Konverter ist zur teilweisen Konversion einer Primärstrahlung ausgebildet. Das heißt, Primärstrahlung, die in den Konverter eintritt, wird vom Konverter teilweise in eine Sekundärstrahlung umgewandelt. Dabei umfasst die Sekundärstrahlung Wellenlängen, die größer sind als Wellenlängen der Primärstrahlung. Das heißt, der Konverter ist insbesondere zur so genannten „down conversion“ ausgebildet. Der Konverter emittiert im Betrieb dann Primärstrahlung und Sekundärstrahlung, die sich im Fernfeld, also bei Abständen zum Konverter, die groß sind im Vergleich zu den Wellenlängen des abgestrahlten Lichts, zu einer Mischstrahlung mischen. Beispielsweise beginnt das Fernfeld einem Abstand von größer als 10 mm vom Konverter.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Konverter einen Grundkörper. Der Grundkörper enthält ein Lumineszenzkonversionsmaterial. Der Grundkörper kann dabei eines oder mehrere Lumineszenzkonversionsmaterialien enthalten oder aus diesen bestehen. Insbesondere ist es möglich, dass der Grundkörper aus einem keramischen oder einem halbleitenden Lumineszenzkonversionsmaterial besteht. Im Falle eines halbleitenden Lumineszenzkonversionsmaterials ist es möglich, dass der Konverter epitaktisch gewachsen ist. Ferner ist es möglich, dass der Grundkörper ein Matrixmaterial wie beispielsweise ein Kunststoffmaterial wie Silikon oder Epoxidharz umfasst, in welches Partikel zumindest eines Lumineszenzkonversionsmaterials eingebracht sind. Bei dem Lumineszenzkonversionsmaterial kann es sich dann beispielsweise um ein keramisches Lumineszenzkonversionsmaterial, ein organisches Lumineszenzkonversionsmaterial, ein Halbleitermaterial oder um so genannte Quantenpunkt-Konverter (QD – Quantum Dot) handeln.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters umfasst der Konverter eine Vielzahl von Strukturen an einer Oberseite des Konverters. Die Strukturen sind dabei beispielsweise an einer Deckfläche des Grundkörpers angeordnet. Die Deckfläche ist beispielsweise eine Hauptfläche des Grundkörpers. Das heißt, der Konverter ist an seiner Oberseite nicht eben und im Rahmen der Herstellungstoleranz nicht glatt ausgebildet, sondern eine Vielzahl von Strukturen sind an der Oberseite des Konverters angeordnet. Die Strukturen können beispielsweise durch eine Strukturierung des Konverters mittels zumindest einer Fototechnik erzeugt sein. Ferner ist es möglich, dass die Strukturen durch ein entsprechend gestaltetes Formwerkzeug erzeugt sind, mittels dem der Konverter zum Beispiel Spritzgegossen oder Spitzgepresst ist. Ferner können die Strukturen auch über Stempeln erzeugt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters sind die Strukturen durch Erhebungen des Grundkörpers und/oder Ausnehmungen im Grundkörper gebildet. Das heißt, der Grundkörper weist an der Oberseite des Konverters beispielsweise eine Vielzahl von Erhebungen auf, die durch Material des Grundkörpers gebildet sind. Bei den Erhebungen kann es sich beispielsweise um Ausbuchtungen des Grundkörpers handeln.
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Die Erhebungen können an der Oberseite des Grundkörpers beispielsweise an ein Material grenzen, welches den Konverter im Einsatz des Konverters umgibt. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um Luft oder ein Vergussmaterial handeln. Der Konverter grenzt an seiner Oberseite dabei insbesondere an ein Material, das einen kleinen Brechungsindex als der Konverter aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Grundkörper Ausnehmungen aufweist, die sich an der Oberseite des Konverters in den Grundkörper erstrecken. Im Bereich der Ausnehmungen ist kein Material des Grundkörpers vorhanden. Beispielsweise ist das Material des Grundkörpers dort entfernt. Die Ausnehmungen können dabei mit einem den Konverter umgebenden Material gefüllt sein. Bei dem umgebenden Material kann es sich beispielsweise um Luft oder ein Vergussmaterial handeln. Die Ausnehmungen sind dann insbesondere mit einem Material gefüllt, das einen kleineren Brechungsindex als der Konverter aufweist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters sind die Strukturen dazu ausgebildet, den Anteil von Primärstrahlung, der aus dem Konverter in einer Hauptabstrahlrichtung austritt, zu reduzieren. Das heißt, Primärstrahlung tritt in den Konverter beispielsweise an einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite ein. Die Primärstrahlung kann teilweise ohne konvertiert zu werden durch den Konverter verlaufen und an der Oberseite des Konverters aus dem Konverter austreten. Die Hauptabstrahlrichtung aus dem Konverter ist dabei beispielsweise diejenige Richtung, die zu einer Haupterstreckungsebene des Konverters und/oder zu einer Haupterstreckungsebene des Grundkörpers des Konverters senkrecht steht.
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Die Strukturen sind nun hinsichtlich ihrer Form und/oder ihrer Größe und/oder ihrer Verteilung an der Oberseite des Konverters derart ausgebildet, dass der Anteil von Primärstrahlung, der aus dem Konverter in einer Hauptabstrahlrichtung austritt, durch die Strukturen reduziert wird. Mit anderen Worten, wenn die Strukturen nicht vorhanden sind oder wenn andere Strukturen vorhanden sind, tritt aus dem Konverter ein größerer Anteil von Primärstrahlung in der Hauptabstrahlrichtung aus, als dies mit den Strukturen der Fall ist.
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Die Strukturen sind dabei insbesondere nicht dazu ausgebildet, eine Austrittswahrscheinlichkeit für die Primärstrahlung oder für die im Konverter erzeugte Sekundärstrahlung zu erhöhen. Vielmehr bleibt die Austrittswahrscheinlichkeit für Primärstrahlung und Sekundärstrahlung im Wesentlichen gleich, d. h. die Austrittswahrscheinlichkeit verändert sich höchstens um +/–10 %, insbesondere höchstens um +/–5 % aufgrund der Strukturen.
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Bei den Strukturen handelt es sich dazu insbesondere nicht um zufällige Aufrauungen des Grundkörpers an der Oberseite des Konverters, sondern bevorzugt um Strukturen, die einen gleichmäßigen Abstand zueinander aufweisen und/oder im Rahmen der Herstellungstoleranz eine gleiche Form aufweisen und/oder im Rahmen der Herstellungstoleranz eine gleiche Größe aufweisen und/oder im Rahmen der Herstellungstoleranz an den Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sind. „Im Rahmen der Herstellungstoleranz“ kann insbesondere heißen, dass eine Größe höchstens geringfügig von einem Zielwert abweicht, wobei die Abweichung nicht gezielt eingestellt ist, sondern durch Unwägbarkeiten in der Herstellung begründet ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Konverter angegeben mit
- – einem Grundkörper, der ein Lumineszenzkonversionsmaterial enthält, und
- – einer Vielzahl von Strukturen an einer Oberseite des Konverters, wobei
- – die Strukturen durch Erhebungen des Grundkörper und/oder Ausnehmungen im Grundkörper gebildet sind, und
- – die Strukturen dazu ausgebildet sind, den Anteil von Primärstrahlung, der aus dem Konverter in einer Hauptabstrahlrichtung austritt, zu reduzieren.
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Insbesondere handelt es sich bei den Strukturen nicht um Strukturen, die mit einem vom Grundkörper abweichenden Material gebildet sind, sondern die Strukturen sind in den Grundkörper strukturiert oder aus Material des Grundkörpers gebildet. Mit anderen Worten besteht der Konverter aus dem strukturierten Grundkörper und weist keine weiteren Schichten auf, welche zur Bildung der Strukturierung aufgebracht sind.
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Dem hier beschriebenen Konverter liegt dabei unter anderem die folgende Überlegung zugrunde: Konverter zur Konversion von Primärstrahlung, die beispielsweise zur Konversion von blauem Licht ausgebildet sind, können Sekundärstrahlung erzeugen, die sich mit der Primärstrahlung beispielsweise zu weißer Mischstrahlung mischt. Dabei tritt für gewöhnlich das Problem auf, dass die Mischstrahlung abhängig vom Betrachtungswinkel eine deutliche Farbvariation aufweist. So kann die Mischstrahlung beispielsweise in Hauptabstrahlrichtung, bei einem Betrachtungswinkel von 0° im Fernfeld, einen erhöhten Anteil der Primärstrahlung, z. B. einen erhöhten Anteil von blauem Licht, aufweisen. Zur Seite, d. h. beispielsweise bei einem Betrachtungswinkel von 90° im Fernfeld, kann dann der Anteil der Sekundärstrahlung, beispielsweise von gelbem Licht, überwiegen. Insgesamt wird auf diese Weise keine homogene Abstrahlung in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel erreicht.
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Dem hier beschriebenen Konverter liegt nun unter anderem die Idee zugrunde, dass eine Reduzierung des Anteils von Primärstrahlung, der aus dem Konverter in einer Hauptabstrahlrichtung austritt, zu einer Homogenisierung des Farbeindrucks im Fernfeld führt, da beispielsweise der Anteil von blauem Licht unter einem Betrachtungswinkel von 0° reduziert sein kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters sind die Strukturen dazu ausgebildet, einen Teil der Primärstrahlung am Austritt aus dem Konverter zu hindern. Das heißt, durch die Strukturen tritt weniger Primärstrahlung aus dem Konverter aus, als dies ohne die Strukturen der Fall wäre. Zum Beispiel wird Primärstrahlung, die den Konverter in Hauptabstrahlrichtung verlassen würde, an den Strukturen insbesondere mehrfach reflektiert, sodass die Primärstrahlung in den Grundkörper des Konverters zurückgeführt wird. Dort wird diese Primärstrahlung dann beispielsweise zum Teil in Sekundärstrahlung umgewandelt oder die Primärstrahlung verlässt den Konverter an seiner der Oberseite abgewandten Unterseite.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters sind die Strukturen dazu ausgebildet, einen Teil der Primärstrahlung beim Austritt aus dem Konverter quer zur Hauptabstrahlrichtung zu lenken. Das heißt, durch die Strukturen kann der Anteil von Primärstrahlung, der den Konverter quer zur Hauptabstrahlrichtung verlässt, größer sein, als dies ohne die Strukturen der Fall wäre. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Strukturen im Fernfeld unter Betrachtungswinkeln ungleich 0° zu einer Erhöhung des Anteils der Primärstrahlung führen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters weisen benachbarte Strukturen einen Abstand voneinander auf. Die Strukturen sind beispielsweise im Rahmen der Herstellungstoleranz an den Eckpunkten eines regelmäßigen Gitters, z. B. eines Rechteckgitters oder eines Dreieckgitters, angeordnet. Die Strukturen weisen jeweils benachbarte Strukturen auf. Bei dem Abstand, den benachbarte Strukturen voneinander aufweisen, kann es sich dann um einen mittleren Abstand handeln, um den der tatsächliche Abstand zwischen benachbarten Strukturen des Konverters beispielsweise um höchstens +/–10 %, insbesondere um höchstens +/–5 % schwankt.
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Der Abstand zwischen benachbarten Strukturen ist dabei beispielsweise der Abstand zwischen den geometrischen Schwerpunkten der Strukturen gemessen in einer Ebene, die zur Haupterstreckungsebene des Konverters und/oder des Grundkörpers parallel verläuft. Bei dem Abstand handelt es sich dann beispielsweise um das Abstandsmaß (englisch: pitch), mit dem die Strukturen an der Oberseite des Konverters angeordnet sind.
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Der Abstand zwischen den Strukturen ist dabei vorzugsweise groß gegen eine Wellenlänge der Primärstrahlung. Beispielsweise weist die Primärstrahlung eine Peak-Wellenlänge auf, bei der sie ein relatives oder ein globales Maximum hat. Der Abstand ist dann insbesondere groß im Vergleich zu dieser Peak-Wellenlänge. Insbesondere ist es möglich, dass der Abstand benachbarter Strukturen wenigstens 10 Mal, insbesondere wenigstens 20 Mal oder wenigstens 40 Mal, so groß wie eine Wellenlänge der Primärstrahlung, insbesondere wenigstens 10 Mal, insbesondere wenigstens 20 Mal oder wenigstens 40 Mal, so groß wie die Peak-Wellenlänge der Primärstrahlung ist. Handelt es sich bei der Primärstrahlung beispielsweise um blaues Licht, so kann der Abstand im Bereich zwischen 15 µm und 25 µm, insbesondere bei 20 µm liegen.
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Bevorzugt sind die Strukturen so groß ausgebildet, dass die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung an ihnen gemäß den Gesetzen der geometrischen Optik reflektiert und gebrochen werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters weist zumindest ein Großteil der Vielzahl von Strukturen eine Grundfläche, eine Deckfläche und zumindest eine Seitenfläche auf, welche die Grundfläche und die Deckfläche miteinander verbindet und einen Winkel mit einer Haupterstreckungsebene des Konverters und/oder des Grundkörpers einschließt. „Zumindest ein Großteil der Vielzahl von Strukturen“ heißt dabei hier und im Folgenden, dass wenigstens 50 % der Strukturen, insbesondere wenigstens 75 % der Strukturen, vorzugsweise alle Strukturen im Rahmen der Herstellungstoleranz die gewünschte Eigenschaft aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters gilt für zumindest einen Großteil der Vielzahl von Strukturen, dass die Grundfläche eine Erstreckung aufweist, die wenigstens 80 % des Abstands von benachbarten Strukturen entspricht. Bei der Erstreckung handelt es sich dann beispielsweise um eine Kantenlänge, insbesondere die größte Kantenlänge der Grundflächen, oder um einen Durchmesser der Grundfläche. Die Erstreckung der Grundfläche kann dabei auch dem Abstand von benachbarten Strukturen entsprechen. Das heißt, in diesem Fall grenzen die Strukturen an der Oberseite des Konverters unmittelbar aneinander, sodass kein unstrukturierter Bereich des Grundkörpers zwischen den Strukturen vorhanden ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters gilt zumindest für einen Großteil der Vielzahl von Strukturen, dass die Deckfläche eine Erstreckung aufweist, die höchstens 30 % der Erstreckung der Grundfläche entspricht. Bei der Erstreckung der Deckfläche kann es sich beispielsweise um eine Kantenlänge, insbesondere die größte Kantenlänge der Deckfläche, oder um einen Durchmesser der Deckfläche handeln. Die Erstreckung der Deckfläche ist kleiner als die Erstreckung der Grundfläche. Insbesondere weisen die Strukturen eine Grundfläche auf, die einen größeren Flächeninhalt aufweist als die Deckfläche, d. h. handelt es sich bei den Strukturen um Erhebungen, so verjüngen sich die Erhebungen beispielsweise in Hauptabstrahlrichtung. Handelt es sich bei den Strukturen um Ausnehmungen, so verbreitern sich die Strukturen in Hauptabstrahlrichtung.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters gilt für zumindest einen Großteil der Vielzahl von Strukturen, dass der Winkel zwischen der Seitenfläche und der Haupterstreckungsebene des Konverters und/oder des Grundkörpers zumindest stellenweise zwischen wenigstens 60° und höchstens 80° beträgt. Bevorzugt verläuft die Seitenfläche im Rahmen der Herstellungstoleranz entlang einer Ebene, so dass der Winkel zwischen der Seitenfläche und der Haupterstreckungsebene des Konverters und/oder des Grundkörpers entlang der gesamten Seitenfläche im Rahmen der Herstellungstoleranz konstant ist und zwischen wenigstens 60° und höchstens 80° beträgt
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters gilt für zumindest einen Großteil der Vielzahl von Strukturen, dass die Grundfläche eine Erstreckung aufweist, die wenigstens 80 % des Abstands von benachbarten Strukturen entspricht, die Deckfläche eine Erstreckung aufweist, die höchstens 30 % der Erstreckung der Grundfläche entspricht und der Winkel zwischen der Seitenfläche und der Haupterstreckungsebene des Konverters zwischen wenigstens 60° und höchstens 80° beträgt. Die Deckfläche weist dabei einen kleineren Flächeninhalt als die Grundfläche auf. Insbesondere mit solchen Strukturen ist es möglich, den Anteil von Primärstrahlung, der aus dem Konverter in eine Hauptabstrahlrichtung austritt, zu reduzieren.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konverters ist zumindest ein Großteil der Vielzahl von Strukturen durch einen der folgenden geometrischen Körper gebildet: Pyramidenstumpf, Kegelstumpf, inverser Pyramidenstumpf, inverser Kegelstumpf. Mit anderen Worten lassen sich die Strukturen im Rahmen der Herstellungstoleranz durch einen der genannten geometrischen Körper approximieren. Dabei können die geometrische Körper auch beliebige Grundflächen aufweisen. Das heißt, zum Beispiel die Grundfläche des Pyramidenstumpfs kann ein n-Eck mit n > 2 sein. Ferner können die Strukturen in der Draufsicht auf den Konverter verdreht zueinander angeordnet sein. Das heißt, die Strukturen müssen nicht einheitlich mit der gleichen Orientierung angeordnet sein.
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Es wird darüber hinaus ein lichtemittierendes Bauelement angegeben. Bei dem lichtemittierenden Bauelement kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode handeln. Das lichtemittierende Bauelement kann insbesondere einen hier beschriebenen Konverter enthalten, d. h. sämtliche für den Konverter offenbarten Merkmale sind auch für das lichtemittierende Bauelement offenbart und umgekehrt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das lichtemittierende Bauelement einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, der im Betrieb Primärstrahlung emittiert. Bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip handelt es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip oder um einen Laserdiodenchip. Insbesondere ist es möglich, dass es sich bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip um einen so genannten Oberflächen-Emitter handelt, der einen Großteil der austretenden Primärstrahlung durch eine Deckfläche an einer Oberseite des Halbleiterchips emittiert. Außerdem kann es sich bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip um einen so genannten Volumen-Emitter handelt, bei dem an Seitenflächen ein reflektierendes Material angebracht ist, so dass ein Großteil der austretenden Primärstrahlung durch eine Deckfläche an einer Oberseite des Halbleiterchips abgestrahlt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements umfasst das lichtemittierende Bauelement einen hier beschriebenen Konverter, der einen Teil der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung konvertiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements ist der Konverter an der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet. Das heißt, der Konverter ist beispielsweise direkt an der Oberseite des Halbleiterchips auf diesen aufgebracht. Ferner ist es möglich, dass der Konverter mittels eines Verbindungsmittels, z. B. eines Klebstoffs, an der Oberseite des Halbleiterchips an diesem befestigt ist. Im Betrieb des Halbleiterchips tritt dann die Primärstrahlung an der Oberseite des Halbleiterchips in den Konverter ein. Der Konverter ist mit seiner der Oberseite abgewandten Unterseite dem Halbleiterchip zugewandt, sodass die Primärstrahlung von der Unterseite des Konverters her eintritt. Ein Lichtaustritt aus dem lichtemittierenden Bauelement erfolgt dann vorzugsweise hauptsächlich an der Oberseite des Konverters, welche dem Halbleiterchip abgewandt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements emittiert das Bauelement im Betrieb Mischstrahlung aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung. Das heißt, zumindest im Fernfeld mischen sich die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung zur Mischstrahlung. Aufgrund des hier beschriebenen Konverters ist es dabei möglich, dass die Farbhomogenität der Mischstrahlung in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel gegenüber lichtemittierenden Bauelementen ohne einen hier beschriebenen Konverter verbessert, das heißt homogener, ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements wird ein lichtemittierendes Bauelement angegeben mit
- – einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip der im Betrieb Primärstrahlung emittiert, und
- – einem Konverter, der einen Teil der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung konvertiert, wobei
- – der Konverter an einer Oberseite des Halbleiterchips angeordnet ist, und
- – im Betrieb Mischstrahlung aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements ist die Mischstrahlung weißes Licht. Beispielsweise kann es sich bei der Mischstrahlung um warmweißes oder kaltweißes Licht handeln.
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Beim hier beschriebenen lichtemittierenden Bauelement ist der Konverter an seiner Oberseite gezielt strukturiert, sodass eine Emission von Primärstrahlung in Hauptabstrahlrichtung leicht reduziert ist. Der Anteil von Primärstrahlung in Hauptabstrahlrichtung kann dabei insbesondere über zwei Effekte, die durch den hier beschriebenen Konverter erzeugt werden können, erfolgen.
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Zum einen kann eine Reflexion der Primärstrahlung an Seitenflächen der Strukturen sowie an der Deckfläche der Struktur dazu führen, dass die Primärstrahlung in den Konverter zurückgelenkt wird.
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Zum anderen kann eine Reflexion von Primärstrahlung an einer Seitenfläche der Struktur sowie eine Fresnel-Reflexion an einer Seitenfläche der Struktur und eine Brechung von an der Seitenfläche der Struktur austretender Primärstrahlung zu einer verstärkten seitlichen Emission, quer zur Hauptabstrahlrichtung führen. Dadurch ergibt sich ein lichtemittierendes Bauelement, bei dem bezüglich des Betrachtungswinkels im Fernfeld die Farbhomogenität der Mischstrahlung erhöht ist. Auf diese Weise erscheint das Mischlicht in Hauptabstrahlrichtung beispielsweise nicht mehr bläulich, sondern weiß und das Mischlicht unter großen Betrachtungswinkeln erscheint beispielsweise nicht mehr gelblich, sondern weiß.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Bauelements umfasst das lichtemittierende Bauelement eine Umhüllung, die den Halbleiterchip und den Konverter seitlich umgibt, wobei die Umhüllung für Primärstrahlung und Sekundärstrahlung reflektierend ausgebildet ist und sich stellenweise in direktem Kontakt mit dem Halbleiterchip und dem Konverter befindet. Bei der Umhüllung handelt es sich beispielsweise um ein Kunststoffmaterial wie Silikon oder Epoxidharz, das mit strahlungsstreuenden und/oder strahlungsreflektierenden Partikeln gefüllt ist. Zum Beispiel ist das Kunststoffmaterial mit Titandioxid-Partikeln gefüllt.
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Die Partikel können der Umhüllung einen weißen Farbeindruck verleihen. Auf die Umhüllung treffende Primärstrahlung oder auf die Umhüllung treffende Sekundärstrahlung wird an der Umhüllung z. B. in den Halbleiterchip oder in den Konverter zurückreflektiert, sodass schlussendlich beispielsweise lediglich an der Oberseite des Konverters ein Austritt von Licht erfolgt. Dazu ist es möglich, dass die Umhüllung Seitenflächen des Halbleiterchips und des Konverters vollständig bedeckt und ihm Rahmen der Herstellungstoleranz beispielsweise bündig mit dem Konverter an dessen Oberseite abschließt oder den Konverter seitlich überragt.
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Im Folgenden werden der hier beschriebene Konverter sowie das hier beschriebene lichtemittierende Bauelement anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 1A, 1B, 2A, 2B sind Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Konverters näher erläutert.
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Anhand der 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Bauelements näher erläutert.
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Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 4A und 4B ist die Funktionsweise eines hier beschriebenen Konverters näher erläutert.
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Anhand der grafischen Auftragungen der 5A, 5B, 5C ist die Wirkung eines hier beschriebenen Konverters in einem hier beschriebenen lichtemittierenden Bauelement näher erläutert.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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Die schematischen Schnittdarstellungen der 1A und 1B zeigen Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Konverters. Der Konverter 10 ist zur teilweisen Konversion einer Primärstrahlung 5 vorgesehen. Die Primärstrahlung wird im Konverter 10 teilweise zur Sekundärstrahlung 6 konvertiert. Die elektromagnetische Strahlung 5, 6 verlässt den Konverter 10 an seiner Oberseite in Hauptabstrahlrichtung R, die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Konverters 10 verläuft.
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Der Konverter 10 umfasst einen Grundkörper 12, der ein Lumineszenzkonversionsmaterial enthält oder aus diesem besteht. Beispielsweise sind im Grundkörper 12 Lumineszenzkonversionsmaterialien, z. B. Partikel eines Lumineszenzkonversionsmaterials, in eine Matrix eingebracht, die mit Silikon gebildet sein kann. Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem Konversionselement 10 um ein Konversionselement handelt, das beispielsweise aus einem keramischen oder einem halbleitenden Lumineszenzkonversionsmaterial besteht.
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Der Konverter umfasst eine Vielzahl von Strukturen 11 an der Oberseite 10a des Konverters, wobei die Strukturen im Ausführungsbeispiel der 1A durch Erhebungen des Grundkörpers 12 gebildet sind. Im Ausführungsbeispiel der 1B sind die Strukturen durch Ausnehmungen im Grundkörper 12 gebildet.
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Die Strukturen 11 sind dazu ausgebildet, den Anteil von Primärstrahlung 5, der aus dem Konverter 10 in der Hauptabstrahlrichtung R austritt, zu reduzieren.
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Bei den Strukturen kann es sich beispielsweise um Strukturen handeln, die im Rahmen der Herstellungstoleranz durch einen der folgenden geometrischen Körper gebildet sind: Pyramidenstumpf, Kegelstumpf, inverser Pyramidenstumpf, inverser Kegelstumpf.
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Die Strukturen 11 sind dabei bei den Konvertern, wie sie in den 1A und 1B dargestellt sind, hinsichtlich ihrer Form, ihrer Größe und ihrer Anordnung gleichmäßig ausgebildet, d. h. die Strukturen 11 sind beispielsweise an den Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet, sie weisen im Rahmen der Herstellungstoleranz die gleiche Größe sowie die gleiche Form auf.
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In Verbindung mit den schematischen Schnittdarstellungen der 2A und 2B sind die bevorzugten Abmessungen der Strukturen 11 näher erläutert. Im Ausführungsbeispiel der 2A sind die Strukturen 11 durch Pyramidenstümpfe gebildet. Die Strukturen 11 weisen eine Deckfläche 11a, ein Grundfläche 11b sowie Seitenflächen 11c auf, welche die Deckfläche 11a mit der Grundfläche 11b verbinden.
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Die Strukturen 11 weisen an ihrer Grundfläche 11b eine Erstreckung B auf, die beispielsweise der Durchmesser der Grundfläche der Struktur 11 ist. Die Deckfläche 11a weist eine Erstreckung D auf, die beispielsweise der Durchmesser der Deckfläche 11a ist. Die Grundfläche 11b einer jeden Struktur ist größer ausgebildet als die Deckfläche 11a jeder Struktur.
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Die Seitenfläche 11c verläuft quer zur Haupterstreckungsebene des Konverters 10 und schließt mit dieser einen Winkel β ein. Die Grundfläche 11b sowie die Deckfläche 11a verlaufen im Rahmen der Herstellungstoleranz parallel zur Haupterstreckungsebene des Konverters 10.
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Benachbarte Strukturen 11 weisen den Abstand P voneinander auf, der beispielsweise der Abstand des geometrischen Schwerpunkts benachbarter Strukturen 11 in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene des Konverters 10 ist.
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Bevorzugt gilt für hier beschriebene Konverter 10, dass die Strukturen 11 folgende Abmessungen aufweisen: 60° ≤ β ≤ 80°, 0,8 P ≤ B ≤ P, 0 < D ≤ 0,3 B
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Für die als Ausnehmungen ausgebildeten Strukturen 11, wie sie in 2B dargestellt sind, gilt Entsprechendes.
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Der Abstand P zwischen benachbarten Strukturen ist bevorzugt groß gegen die Wellenlänge der Primärstrahlung 5 und kann beispielsweise 20 µm betragen.
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In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Bauelements näher erläutert. Das lichtemittierende Bauelement umfasst beispielsweise einen Träger 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Anschlussträger handelt, der zum elektrischen Anschluss des an seiner Oberseite angeordneten strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 ausgebildet ist.
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Der strahlungsemittierende Halbleiterchip 2 ist beispielsweise durch einen oberflächenemittierenden Leuchtdiodenchip gebildet. An einer Oberseite 2a des Halbleiterchips 2 ist ein hier beschriebener Konverter 10 angeordnet, der den Grundkörper 12 und die in den Grundkörper und/oder aus dem Grundkörper 12 strukturierten Strukturen 11 aufweist.
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Zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Konverter 3 kann ein Verbindungsmittel 4 zum mechanischen und optischen Verbinden von Halbleiterchip und Konverter 3 angeordnet sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verbindungsmittel 4 um einen Klebstoff.
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Seitlich um den Halbleiterchip 2 und den Konverter 3 herum ist die Umhüllung 3 angeordnet, die beispielsweise weiß und reflektierend ausgebildet sein kann.
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In Verbindung mit den schematischen Schnittdarstellungen der 4A und 4B ist die Funktionsweise eines hier beschriebenen Konverters näher erläutert. Dabei ist die Funktionsweise anhand einer Struktur 11 erläutert, die als Erhebung aus dem Grundkörper 12 ausgebildet ist.
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Der hier beschriebene Konverter 10 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Abstrahlung von Primärstrahlung 5 in der Hauptabstrahlrichtung R reduziert ist. Dies wird vorliegend auf zwei verschiedene Arten erreicht. Die Wirkungsweise des Konverters ist dabei anhand von als Erhebungen ausgebildeten Strukturen 11 erläutert, wobei entsprechende Wirkungen auch mit den beispielsweise in den 1B und 2B erläuterten Strukturen, die als Ausnehmungen im Grundkörper 12 ausgebildet sind, erreicht werden.
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In der 4A ist schematisch dargestellt, dass Primärstrahlung 5 an einer ersten Seitenfläche 11c der Struktur 11 reflektiert, zu Beispiel totalreflektiert, wird und auf die Deckfläche 11a trifft, wo wiederum eine Reflexion in Richtung einer zweiten Seitenfläche 11c der Struktur 11 erfolgt, von wo die Primärstrahlung 5 in den Konverter 10 zurückreflektiert wird. Das heißt, es erfolgt ein Zurückwerfen von Primärstrahlung, die in Hauptabstrahlrichtung R in die Struktur 11 eingetreten ist, durch mehrfache Reflexion. Dies verringert den Anteil von Primärstrahlung, der den Konverter 10 in Hauptabstrahlrichtung R an der Oberseite 10a verlässt. Ein Teil der Primärstrahlung 5 kann an der Deckfläche 11a oder der Seitenfläche 11c als gebrochene Primärstrahlung 5 zur Seite hin austreten (nicht dargestellt).
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Solche Primärstrahlung 5, die nicht in Richtung der Hauptabstrahlrichtung R in die Struktur 11 eindringt, kann beispielsweise an einer ersten Seitenfläche 11c reflektiert werden, siehe die 4B. Die Primärstrahlung 5 trifft dann beispielsweise auf eine zweite Seitenfläche 11c, an der sie teilweise gebrochen wird und seitlich ausgekoppelt wird. Ein Teil der Primärstrahlung 5 wird jedoch aufgrund des großen Winkels, mit dem die Primärstrahlung auf die Seitenfläche 11c trifft, und des hohen Brechungsindexunterschieds zwischen dem Konverter 10 und seiner Umgebung Fresnel-reflektiert und dann als reflektierte Primärstrahlung 5‘ zur Seite hin ausgekoppelt. Auch auf diese Weise wird also der Anteil von Primärstrahlung 5, der in Hauptabstrahlrichtung R abgestrahlt wird, reduziert, wohingegen der Anteil an Primärstrahlung, der quer zur Hauptabstrahlrichtung R abgestrahlt wird, erhöht ist.
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Anhand der grafischen Auftragungen der 5A, 5B, 5C ist der Effekt eines hier beschriebenen Konverters 10 in einem hier beschriebenen lichtemittierenden Bauelement erläutert. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Konverter 10 eine mittlere Dicke von 200 µm aufweist und ein reflektierender Verguss mit Titandioxid-Partikeln die Umhüllung 3 um den Chip 2 und den Konverter 3 bildet. Bei der Strukturierung handelt es sich um Pyramidenstümpfe, die in einem Abstand P von 20 µm voneinander angeordnet sind.
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Im Folgenden sind Kurven dargestellt, die mit den Bezugszeichen 21, 22, 23, 24, 25 versehen sind.
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Die Kurve 21 bezieht sich dabei auf eine Messung, bei der die Strukturen 11 als Erhebungen ausgebildet sind. Der Winkel β ist dabei mit 72° gewählt, die Erstreckung B der Grundfläche 11b beträgt 19 µm, und die Erstreckung D der Deckfläche 11a beträgt 1,9 µm.
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Die Kurve 22 betrifft Messungen für einen Konverter 10, bei dem die Strukturen als Ausnehmungen ausgebildet sind, die einen Winkel β von 70° aufweisen. B beträgt für die Ausnehmungen 17 µm und D beträgt 1,7 µm.
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Die Kurven 23, 24, 25 beziehen sich auf lichtemittierende Bauelemente ohne strukturierten Konverter, die zum Vergleich herangezogen werden.
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In der grafischen Darstellung der 5A ist zunächst die Intensität I normiert auf 1 in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel α im Fernfeld („Fernfeldwinkel“) gezeigt.
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Es zeigt sich, dass die Abstrahlcharakteristik, also die Intensität in Abhängigkeit von α von der Strukturierung 11 kaum beeinflusst wird. Insbesondere im Fall der Kurve 22, welche Messungen für Ausnehmungen zeigt, ist kein Unterschied zu herkömmlichen lichtemittierenden Bauelementen erkennbar. Das heißt, ein hier beschriebener Konverter kann herkömmliche Konverter ersetzen, ohne dabei die Abstrahlcharakteristik zu beeinflussen, was den Einsatz in bestehenden Produkten erlaubt, ohne dass beispielsweise nachgeordnete Optiken angepasst werden müssen.
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Die 5B zeigt den Cx-Anteil im CIE-xy Farbraum einer Farbortmessung des von den betrachteten lichtemittierenden Bauelementen abgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von α, die 5C zeigt den Cy-Anteil im CIE-xy Farbraum. Wie aus den Auftragungen der 5B und 5C ersichtlich ist, verringert sich die Variation des Farborts in Abhängigkeit von α für lichtemittierende Bauelemente mit hier beschriebenen Konvertern (vergleiche die Kurven 21 und 22) deutlich im Vergleich zu herkömmlichen lichtemittierenden Bauelementen mit herkömmlichen Konvertern. So beträgt die Schwankung des Cx-Anteils weniger als 0,02 und die Schwankung des Cy-Anteils beträgt weniger als 0,03.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Träger
- 2
- Halbleiterchip
- 2a
- Oberseite
- 3
- Umhüllung
- 4
- Verbindungsmittel
- 5
- Primärstrahlung
- 5'
- reflektierte Primärstrahlung
- 6
- Sekundärstrahlung
- 10
- Konverter
- 10a
- Oberseite
- 11
- Struktur
- 11a
- Deckfläche
- 11b
- Grundfläche
- 11c
- Seitenfläche
- β
- Winkel
- P
- Abstand
- B
- Erstreckung an der Grundfläche
- D
- Erstreckung an der Deckfläche
- R
- Hauptabstrahlrichtung
- 21
- Messung mit Erhebungen
- 22
- Messung mit Ausnehmung
- 23
- erste Vergleichsmessung
- 24
- zweite Vergleichsmessung
- 25
- dritte Vergleichsmessung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013106799 A1 [0002]
