DE102016123971A1 - Optoelektronisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement zur Emission einer weißen Gesamtstrahlung angegeben. Das Bauelement umfasst einen Halbleiterchip zur Emission einer Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 480 nm und ein Konversionselement umfassend ein erstes Konvertermaterial zur Emission von Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums und ein zweites Konvertermaterial zur Emission von Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Das zweite Konvertermaterial umfasst einen ersten roten Leuchtstoff der Formel (K,Na)(Si,Ti)F:Mnund einen zweiten roten Leuchtstoff der Formel

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement.
  • Optoelektronische Bauelemente, wie lichtemittierende Dioden (LEDs), die eine weiße Strahlung emittieren, werden beispielsweise in Fernsehern, Tablets, Smartphones und Computern für die Hinterleuchtung von LCD-Filtersystemen benutzt. Dabei gibt es unterschiedliche Anforderungen an die LED. Zwei wesentliche Aspekte sind zum einen die maximale Helligkeit und zum anderen die Abdeckung eines großen Farbraums. Die herkömmlichen LCD-Filtersysteme bestehen aus drei beziehungsweise vier Farbfiltern (blau, grün und rot beziehungsweise blau, grün, gelb und rot). Die LCD-Filter können eine minimale spektrale, bzw. „Transmissions“-Halbwertsbreite (FWHM, full width at half maximum) im Bereich von typischerweise 70 bis 120 nm, in der die Transmission elektrisch gesteuert werden kann.Die Transmission ergibt sich aus der Superposition der drei Farbfilter, dadurch ergeben sich Bereiche des sichtbaren Spektrums, in denen keine vollständige Transmission erreicht wird. Das führt dazu, dass bei einem breitbandigen Spektrum der LED, die die Farbfilter hinterleuchtet, ein Anteil des emittierten Lichts vom Filter absorbiert wird. Um die maximale Lichtmenge aus der LED bei vollständig geöffneten LCD-Farbfiltern auf Bildschirmebene zu erhalten, werden schmalbandige Konversions- beziehungsweise Leuchtstoffe benötigt, die im Bereich der einzelnen Filterkurven emittieren, um den absorbierten Lichtanteil zu minimieren. Um zudem eine hohe Farbsättigung zu erhalten, ist es wichtig, dass die einzelnen Emissionen der LED spektral jeweils möglichst nur einen der Farbfilter des Systems ansprechen. Auf diese Weise können nach der Filterung gesättigtere Farben (rot, grün und blau) und damit größere Farbräume erreicht werden.
  • Um weißes Licht mittels einer LED zu generieren, wird in der Regel ein Halbleiterchip, der schmalbandiges blaues Licht emittiert, verwendet. Anteile dieses blauen Lichts werden durch Leuchtstoffe in rotes und grünes Licht konvertiert, so dass insgesamt weißes Licht resultiert. Als rot emittierender Leuchtstoff ist es bekannt, (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ einzusetzen, der ein schmalbandiges Emissionsspektrum aufweist. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass (K,Na) 2(Si, Ti)F6:Mn4+ einen niedrigen Brechungsindex und ein relativ niedriges Absorptionsvermögen für die Primärstrahlung aufweist, wodurch große Materialmengen benötigt werden. Zudem weist der Leuchtstoff lange Abklingzeiten von 5 bis 10 ms auf. Letzteres führt bei Display-Zusatzfunktionen, wie dem sogenannten „Local Dimming“, durch das Nachleuchten des Leuchtstoffs zu Farbortverschiebungen.
  • Eine weitere bekannte Lösung, um ein schmalbandiges LED-Spektrum, welches aus blauen, grünen und roten Anteilen besteht, zu erhalten, ist die Verwendung von drei verschiedenfarbigen Halbleiterchips in einer LED, das heißt ohne Leuchtstoffkonversion. Ein wesentlicher Nachteil dieses Konzepts ist, das der hier verwendete rote InGaAlP-Chip starke Helligkeitsverluste über der Temperatur zeigt, wodurch der Farbort der gesamten LED stark schwankt. Somit wird eine komplexe und teure Treiberelektronik nötig, um dem entgegenzusteuern. Außerdem müssen drei Chips statt einem elektrisch angesteuert werden. Diese Lösungen kommen vor allem bei direkt emittierenden Displays (eine LED entspricht einem Pixel), also ohne Farbfilter und LCD zum Einsatz und sind bei LCD Displays nur bedingt geeignet.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines blauen Halbleiterchips, dessen Licht zum Teil in grünes Licht anhand eines Leuchtstoffs umgewandelt wird und einem roten Halbleiterchip in einem LED-Package.
  • Die Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte erhöhte Farbortstabilität und eine Abdeckung eines großen Farbraums aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement zur Hinterleuchtung von Farbfiltersystemen und eine Beleuchtungseinheit umfassend ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen.
  • Die Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch die Verwendung eines optoelektronischen Bauelements zur Hinterleuchtung von LCD-Filtern mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch eine Beleuchtungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
  • Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben.
  • Das optoelektronische Bauelement umfasst einen Halbleiterchip und ein Konversionselement. Der Halbleiterchip ist dazu eingerichtet, im Betrieb des Bauelements eine Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 480 nm zu emittieren.
  • Als Peakwellenlänge wird hier und im Folgenden die Wellenlänge eines Peaks bezeichnet, bei der die maximale Intensität des Peaks liegt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein erstes Konvertermaterial, das dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein zweites Konvertermaterial, das dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das zweite Konvertermaterial einen ersten roten Leuchtstoff der Formel (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und einen zweiten roten Leuchtstoff der Formel
    • - (M')2-x'Eux'Si2Al2N6 mit M' = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x' ≤ 0,2, insbesondere [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit M = Ca, Ba, Zn und/oder Mg, 0,5 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,2, (M")1-x"Eux"AlSiN3*Si2N2O mit M" = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x" ≤ 0,2,
    • - (M"')2-2x'''Eu2'''Si5N8 mit M"’ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x"'≤ 0,2 oder
    • - (M"")1-x''''Eux''''[LiAl3N4] mit M""= Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x"' ≤ 0,2.
  • Das zweite Konvertermaterial kann auch aus dem ersten roten Leuchtstoff und dem zweiten roten Leuchtstoff bestehen.
  • Durch die Kombination von zumindest zwei roten Leuchtstoffen des zweiten Konvertermaterials kann einerseits die alterungsbedingte Farbortstabilität des optoelektronischen Bauelements verbessert werden, andererseits kann die hohe Leuchtstofffüllmenge bedingt durch die niedrige Absorption des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ reduziert werden. Die Nachteile, die mit der alleinigen Verwendung des roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ als rotes Konvertermaterial einhergehen, können damit erfindungsgemäß durch die Verwendung von zwei roten Leuchtstoffen kompensiert beziehungsweise weitgehend kompensiert werden.
  • Mit Vorteil weisen die zweiten roten Leuchtstoffe eine kurze Abklingzeit auf, beispielsweise eine Abklingzeit zwischen 1 und 20 psec, so dass die Farbortverschiebung bei Funktionen wie „Local Dimming“ verringert werden kann. Beim so genannten „Local Dimming“ werden einzelne optoelektronische Bauelemente, beispielsweise lichtemittierende Dioden, in einem Display mit einer hohen Frequenz an- und abgeschaltet oder in der Leuchtstärke reguliert, um den Kontrast zu erhöhen. Durch die kurzen Abklingzeiten der zweiten roten Leuchtstoffe kommt es vorteilhafterweise nicht zu einem Nachleuchten bei dem hochfrequenten An- und Abschalten der lichtemittierenden Dioden und den damit verbundenen Farbortverschiebungen. Das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement eignet sich damit insbesondere zur Hinterleuchtung von Displays, insbesondere LCD Displays, mit Local-Dimming-Funktionen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das zweite Konvertermaterial einen ersten roten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen die zweiten roten Leuchtstoffe eine Sekundärstrahlung mit einer spektral schmalbandigen Emission beispielsweise mit einer Halbwertsbreite (full width at half maximum, FWHM) von kleiner 90, bevorzugt keiner 80, besonders bevorzugt kleiner 70 nm auf. Damit zeigen die Emissionspeaks der zweiten Leuchtstoffe insbesondere eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Zusätzlich liegt insbesondere auch die Sekundärstrahlung des sehr schmalbandig emittierenden ersten roten Leuchtstoffs (K,Na) 2(Si, Ti)F6:Mn4+ innerhalb des Transmissionsbereichs eines Standard-Rotfilters, so dass der erreichbare Farbraum mit Vorteil nochmals vergrößert wird. Durch den Einsatz des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs als zweites Konvertermaterial kann damit ein besonders großer Farbraum abgedeckt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel (M')2-x'Eux'Si2Al2N6 mit M' = Sr und/oder Ca und 0,001 ≤ x' ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1 auf. Besonders bevorzugt weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 auf, mit M = Ca, 0,5 ≤ a ≤ 1, bevorzugt 0,7 ≤ a < 1, besonders bevorzugt 0,8 ≤ a < 1, und 0,001 ≤ x ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1. Der zweite rote Leuchtstoff der Formel [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 kristallisiert insbesondere in der Raumgruppe P1, P2, P21 oder P1, besonders bevorzugt in der Raumgruppe P21. Die Halbwertsbreite liegt für [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 beispielsweise bei etwa 80 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der rote Leuchtstoff die Formel (M")1-x"Eux"AlSiN3*Si2N2O mit M" = Sr und/oder Ca und 0,001 ≤ x" ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1, auf. Die Halbwertsbreite liegt für (M")1-x"Eux"AlSiN3*Si2N2O beispielsweise unter 90 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel (M"')2-2x'''EU2x'''Si5N8 mit M"' = Sr, Ca und/oder Ba und 0,001 ≤ x"' ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1, auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel (M"")1-x''''Eux''''[LiAl3N4] mit M'''' = Sr und/oder Ca und 0,001 ≤ x''' ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1, auf. Die Halbwertsbreite liegt für (M"")1-x ''''Eux''''[LiAl3N4] bevorzugt unter 60 nm, beispielsweise bei etwa 50 nm.
  • Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe liegen beispielweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 590 nm bis 640 nm.
  • Die Dominanzwellenlänge ist eine Möglichkeit, nichtspektrale (polychromatische) Lichtmischungen durch spektrales (monochromatisches) Licht, welches eine ähnliche Farbtonwahrnehmung erzeugt, zu beschreiben. Im CIE-Farbraum kann die Linie, die einen Punkt für eine bestimmte Farbe und den Punkt Cx = 0.333, Cy = 0.333 verbindet, so extrapoliert werden, dass sie den Umriss des Raums in zwei Punkten trifft. Der Schnittpunkt, der näher an der besagten Farbe liegt, repräsentiert die Dominanzwellenlänge der Farbe als Wellenlänge der reinen spektralen Farbe an diesem Schnittpunkt. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die von dem menschlichen Auge wahrgenommen wird.
  • Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe können sich gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 595 nm bis 625 nm für (M')2-x'Eux'Si2Al2N6, bevorzugt [Sr(SraM1-a)]1-x EuxSi2Al2N6, besonders bevorzugt [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6, oder (M")1-x"Eux"AlSiN3*Si2N2O, bevorzugt (Sr,Ca)1-x "Eux"AlSiN3*Si2N2O, befinden.
  • Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe können sich gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 623 nm bis 633 nm für die zweiten roten Leuchtstoffe (M"")1- x''''Eux''''[LiAl3N4], bevorzugt (Sr,Ca)1-x''''Eux''''[LiAl3N4], befinden.
  • Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe können sich gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 590 nm bis 610 nm für die zweiten roten Leuchtstoffe (M"')2-2x '''Eu2x'''Si5N8, bevorzugt (Ca,Ba,Sr)2-2x'''Eu2x'''Si5N8, befinden.
  • Die Farborte der zweiten roten Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.595 - 0.625; Cy = 0.370 - 0.400 beziehungsweise im Bereich von Cx = 0.655 - 0.685; Cy = 0.300 - 0.350 beziehungsweise im Bereich von Cx = 0.620 - 0.655; Cy = 0.340 - 0.370 für die zweiten roten Leuchtstoffe (M')2-x'Eux'Si2Al2N6, bevorzugt [Sr(SraM1-a)]1-x EuxSi2Al2N6, besonders bevorzugt [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6, oder (M")1-x"Eux"AlSiN3*Si2N2O, bevorzugt (Sr,Ca)1-x "Eux"AlSiN3*Si2N2O. Die hier und im Folgenden genannten Cx- und Cy-Werte beziehen sich bevorzugt auf die CIE-Normfarbtafel von 1931.
  • Die Farborte der zweiten roten Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.680 - 0.715; Cy = 0.280 - 0.320 für die zweiten roten Leuchtstoffe (M"")1-x''''Eux''''[LiAl3N4], bevorzugt (Sr,Ca)1-x ''''Eux''''[LiAl3N4].
  • Die Farborte der zweiten roten Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.610 - 0.650; Cy = 0.340 - 0.380 für den zweiten roten Leuchtstoff (M"')2-2x'''Eu2x'''Si5N8, bevorzugt (Ca,Ba,Sr)2-2x'''Eu2x'''Si5N8.
  • Die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+, bevorzugt K2SiF6:Mn4+, befindet sich beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 610 - 630 nm. Die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ befindet sich bevorzugt im Bereich von 617 - 624 nm. Der Farbort des ersten roten Leuchtstoffs liegt beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.680 - 0.710; Cy = 0.290 - 0.330.
  • Die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs liegt gemäß zumindest einer Ausführungsform bei kürzeren Wellenlängen als die Dominanzwellenlänge des zweiten roten Leuchtstoffs. Die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs liegt damit im Vergleich zur Dominanzwellenlänge des zweiten roten Leuchtstoffs näher am Maximum der Augenempfindlichkeit bei 555 nm, wodurch die emittierte Strahlung einen höheren Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve aufweist und somit als heller empfunden wird. Insgesamt wird von dem Bauelement damit eine Gesamtstrahlung emittiert, die als heller empfunden wird, im Vergleich zu der Gesamtstrahlung eines Bauelements, das als roter Leuchtstoff nur den zweiten roten Leuchtstoff enthält.
  • Durch die schmalbandige Emission in Kombination mit den genannten Dominanzwellenlängen des ersten roten Leuchtstoffs und der zweiten roten Leuchtstoffe emittieren diese keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs. Damit liegen alle oder nahezu alle emittierten Photonen im Sensitivitätsbereich des menschlichen Auges, was die Effizienzverluste durch Emission im nichtsichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausschließt beziehungsweise minimiert. Dadurch wird eine hohe Lumineszenzeffizienz erzielt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung des ersten Konvertermaterials in einem Bereich von 500 bis 600 nm, bevorzugt in einem Bereich von 510 bis 580 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 520 und 550 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten oder einen grünen Leuchtstoff. Das erste Konvertermaterial kann auch aus Konverterpartikeln mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten oder einem grünen Leuchtstoff bestehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das erste Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten auf, wobei die Barriereschichten und Quantenschichten alternierend angeordnet sind. Die Quantenschichten und die Barriereschichten bilden somit eine Mehrfachquantentopf-Struktur. Die Quantenstruktur kann auch aus den Quantenschichten und den Barriereschichten bestehen. Die Quantenschichten können auch als Quantentöpfe oder Quantentröge bezeichnet werden und sind bevorzugt zweidimensionale Quantenstrukturen. Das heißt, eine Dicke der Quantenschichten ist dann sehr viel kleiner als laterale Ausdehnungen der Quantenschichten. Insbesondere handelt es sich bei den Konverterpartikeln nicht um Quantenpunkte. Quantenpunkte sind näherungsweise nulldimensional, im Gegensatz zu den zweidimensionalen Quantenstrukturen.
  • Durch die Quantenstruktur der Konverterpartikel kann eine spektral schmalbandige Emission beispielsweise mit einer Halbwertsbreite (full width at half maximum, FWHM) von kleiner 50 nm, insbesondere im Bereich von 30 nm, im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzielt werden. Die Emissionspeaks der Konverterpartikel zeigen damit insbesondere eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Grünfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenschichten InxGa1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4, auf oder die Quantenschichten bestehen aus InxGa1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4. Die Quantenschichten sind durch ihre Zusammensetzung für die Wellenlänge der Sekundärstrahlung verantwortlich. Insbesondere bestimmt der Indiumgehalt die Wellenlänge der Sekundärstrahlung. So liegt die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung beispielsweise bei λ = 490 nm bei einem Indiumgehalt von etwa 20 mol% in Bezug auf die Gesamtmenge an Gallium und Indium, das heißt bei x = 0,2 und einer Dicke der Quantenschicht von 2 nm bis 5 nm. Die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung liegt beispielsweise bei 580 nm bei einem Indiumgehalt von 40 mol% in Bezug auf die Gesamtmenge an Gallium und Indium, das heißt bei x = 0,2 und einer Dicke der Quantenschicht von 2 nm bis 5 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenschichten eine Schichtdicke von einschließlich 2,0 nm bis einschließlich 5 nm, bevorzugt von einschließlich 2,0 nm bis einschließlich 4,0 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 2,5 nm bis einschließlich 3,5 nm auf. Beispielsweise weisen die Quantenschichten eine Schichtdicke von beispielsweise 2,9 nm auf. Überschreitet die Schichtdicke einer Quantenschicht 5 nm, sinkt die interne Quanteneffizienz. Liegt die Schichtdicke einer Quantenschicht unter 2,0 nm, steigt die Bandlücke, dadurch wird die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung zu kürzeren Wellenlängen verschoben und es ist ein höherer Indiumgehalt der Quantenschicht notwendig, um die gewünschte Peakwellenlänge zu erreichen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Barriereschichten AlyGa1-yN mit 0,0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,4, besonders bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,3, ganz besonders bevorzugt y = 0 auf oder bestehen aus diesem Material. Ganz besonders bevorzugt umfassen die Barriereschichten GaN oder bestehen aus GaN.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Barriereschichten eine Schichtdicke von einschließlich 1,5 nm bis einschließlich 100 nm auf, bevorzugt von einschließlich 1,5 nm bis einschließlich 17, 5 nm beispielsweise 16 nm oder 17 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden eine Barriereschicht und eine Quantenschicht jeweils eine Doppelschicht. Bevorzugt weisen die Konverterpartikel einschließlich fünf bis einschließlich 200 Doppelschichten auf. Je nach Anzahl der Doppelschichten kann der gewünschte Anteil an Primärstrahlung, der auf den Konverterpartikel trifft und in Sekundärstrahlung konvertiert wird, an die gewünschten Anforderungen angepasst werden. Mit Vorteil ist es somit sehr einfach möglich, den Konversionsgrad der Konverterpartikel einzustellen.
  • Eine Vollkonversion der Primärstrahlung kann erfolgen, wenn die Quantenstruktur 120 bis 200 Doppelschichten umfasst oder daraus besteht. Eine Teilkonversion kann erfolgen, wenn die Quantenstruktur fünf bis 120, bevorzugt zehn bis 50 Doppelschichten umfasst oder daraus besteht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Doppelschicht eine Schichtdicke von einschließlich 3,5 nm bis einschließlich 105 nm, bevorzugt von einschließlich 3,5 nm bis einschließlich 21,5 nm auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Konverterpartikel eine Pufferschicht. Die Pufferschicht kann aus AlyGa1-yN mit 0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,4, besonders bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,3, ganz besonders bevorzugt y = 0 bestehen oder dieses Material aufweisen. Bevorzugt weist die Pufferschicht dasselbe Material auf wie die Barriereschichten. Die Quantenstruktur ist bevorzugt über der Pufferschicht angeordnet, wobei eine Quantenschicht über der Pufferschicht angeordnet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die Quantenstruktur auf einem Substrat angeordnet und/oder aufgewachsen. Bevorzugt ist die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die Quantenstruktur epitaktisch gewachsen, zum Beispiel auf einem lichtdurchlässigen Aufwachssubstrat wie Saphir.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sekundärstrahlung der Konverterpartikel im grünen Spektralbereich eine Halbwertsbreite von mindestens 15 nm oder 20 nm oder 25 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Halbwertswerte der Sekundärstrahlung der Konverterpartikel bei höchstens 50 nm oder 40 nm oder 30 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das erste Konvertermaterial einen grünen Leuchtstoff auf, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Orthosilikate, Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONe und Granate umfasst oder das erste Konvertermaterial besteht aus einem grünen Leuchtstoff, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Orthosilikate, Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONe und Granate umfasst.
  • Mit Vorteil weisen diese grünen Leuchtstoffe für das erste Konvertermaterial Halbwertsbreiten von weniger als 90 nm, bevorzugt von weniger als 70 nm, besonders bevorzugt unter 60 nm auf. Die Emissionspeaks der grünen Leuchtstoffe zeigen damit insbesondere eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Grünfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste Konvertermaterial einen grünen Orthosilikatleuchtstoff der Formel (AE)2-yEuySiO4 mit AE = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg, bevorzugt AE = Sr und/oder Ba und 0,001 ≤ y ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ y ≤ 0,1.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste Konvertermaterial einen grünen Nitridoorthosilikatleuchtstoff der Formel (AE)2-b-y'(RE)bEuy'SiO4-bNb mit AE = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y' ≤ 0,4, 0 ≤ b < 2-y', bevorzugt b = 0 oder (AE)2-c-y"(RE')xEuy"Si1-dO4-c-2dNc mit AE' = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE' = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y" ≤ 0,4, 0 ≤ c < 2-y", bevorzugt c = 0, und 0 ≤ d < 1.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste Konvertermaterial einen grünen beta-SiAlON-Leuchtstoff der Formel Si6-z-2y'''Euy'''AlzOzN8-z mit 0 ≤ z ≤ 6 und 0, 001 ≤ y"' ≤ 0,2.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste Konvertermaterial einen grünen Granat-Leuchtstoff der Formel (Lu,Y,Gd,Tb)3-y''''Cey''''(Al,Ga)5O12, bevorzugt (Lu,Y)3-y ''''Cey''''(Al,Ga)5O12 mit 0,003 ≤ y""≤ 0,6.
  • Die Farborte der grünen Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.280 - 0.330; Cy = 0.630 - 0.680 oder Cx = 0.330 - 0.380; Cy = 0.590 - 0.650 für die grünen beta-SiAlON-Leuchtstoffe oder die grünen Orthosilikatleuchtstoffe der Formel (AE)2-yEuySiO4 mit AE = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg, bevorzugt AE = Sr und/oder Ba.
  • Die Farborte der grünen Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.340 - 0.380; Cy = 0.550 - 0.580 für die grünen Granatleuchtstoffe der Formel (Lu,Y,Gd,Tb)3-y''''Cey''''(Al,Ga)5O12, bevorzugt (Lu,Y)3-y ''''Cey''''(Al,Ga) 5O12.
  • Dass ein Konvertermaterial oder ein Leuchtstoff die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert, bedeutet, dass die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise von den Konvertermaterialien oder den Leuchtstoffen absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird. Bei dieser sogenannten Teilkonversion emittiert das optoelektronische Bauelement eine Gesamtstrahlung, die sich aus der Primärstrahlung und den Sekundärstrahlungen oder nur aus den Sekundärstrahlungen zusammensetzt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauelement dazu eingerichtet, in dessen Betrieb eine weiße Gesamtstrahlung zu emittieren. Damit eignet sich das Bauelement insbesondere für dessen Anwendung zur Hinterleuchtung von Displays, insbesondere LCD Displays. Bevorzugt weist die weiße Gesamtstrahlung eine korrelierte Farbtemperatur zwischen 4000 K und 30000 K auf. Beispielsweise liegt der Farbort der weißen Gesamtstrahlung im Bereich von Cx = 0,15 - 0,40 und Cy = 0,15 - 0,40, bevorzugt Cx = 0,20 - 0,37 und Cy = 0,20 - 0,37.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren.
  • Unter „Schichtenfolge“ ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende Schichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht, wobei die Schichten übereinander angeordnet sind und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert.
  • Die Schichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein. Dabei kann die Schichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise elektromagnetische Strahlung in einem blauen Wellenlängenbereich emittieren.
  • Die aktive Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht sein. Die hier beschriebenen Strukturen, die aktive Schicht oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
  • In einer Ausführungsform liegt die emittierte Primärstrahlung des Halbleiterchips beziehungsweise der aktiven Schicht der Schichtenfolge im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums kann dabei bedeuten, dass die emittierte Primärstrahlung eine Peakwellenlänge zwischen 420 nm und einschließlich 480 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 430 nm und einschließlich 460 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 440 nm und einschließlich 455 nm, aufweist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip beziehungsweise die Schichtenfolge eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche auf, über der das Konversionselement angeordnet ist.
  • Dass eine Schicht oder ein Element „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiter kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen oder der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen oder dem anderen Element angeordnet sein.
  • Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche ist dabei eine Hauptfläche des Halbleiterchips beziehungsweise der Schichtenfolge. Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche erstreckt sich insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der Schichtenfolge. Beispielsweise tritt mindestens 51 % oder 90 % der die Schichtenfolge verlassenden Primärstrahlung über die Hauptstrahlungsaustrittsfläche aus der Schichtenfolge heraus.
  • In einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen direkten mechanischen Kontakt zu dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere zu der Hauptstrahlungsaustrittfläche, auf.
  • In einer Ausführungsform ist das Konversionselement vollflächig über dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere dessen oder deren Hauptstrahlungsaustrittfläche angeordnet.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein Matrixmaterial. Die Konvertermaterialien können in dem Matrixmaterial verteilt sein, beispielsweise sind sie in dem Matrixmaterial homogen oder zufällig verteilt.
  • Das Matrixmaterial ist sowohl transparent für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlungen und ist beispielsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus: Gläser, Silikone, Epoxidharze, Polysilazane, Polymethacrylate und Polycarbonate sowie Kombinationen davon. Unter transparent wird verstanden, dass das Matrixmaterial zumindest teilweise durchlässig für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlungen ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Konvertermaterialien in dem Konversionselement homogen oder zufällig verteilt.
  • In einer Ausführungsform sind die Konvertermaterialien mit einem Konzentrationsgradienten in dem Konversionselement verteilt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Konvertermaterial dem zweiten Konvertermaterial nachgeordnet, um Absorptionsverluste zu verringern.
  • In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Leuchtstoffen um Partikel der entsprechenden Leuchtstoffe.
  • Die Partikel der Leuchtstoffe können unabhängig voneinander eine mittlere Korngröße zwischen 1 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 40 µm, besonders bevorzugt zwischen 8 µm und 35 µm, aufweisen. Mit diesen Korngrößen wird die Primärstrahlung beziehungsweise die Sekundärstrahlung an diesen Partikeln vorteilhafterweise wenig oder hauptsächlich in Vorwärtsrichtung gestreut, was Effizienzverluste verringert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das Konversionselement aus den Konvertermaterialien und dem Matrixmaterial.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet.
  • In einer Ausführungsform hat das Plättchen eine Dicke von 1 µm bis 1 mm, bevorzugt 10 µm bis 300 µm, besonders bevorzugt 25 µm bis 200 µm.
  • Die Schichtdicke des gesamten Plättchens kann gleichmäßig sein. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden.
  • In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Konversionselement um ein keramisches Plättchen handeln. Darunter ist zu verstehen, dass das Plättchen aus zusammengesinterten Partikeln der Konvertermaterialien besteht.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Plättchen ein Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, in dem die Konvertermaterialien eingebettet sind. Das Plättchen kann auch aus dem Matrixmaterial und den Konvertermaterialien bestehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet, das über dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge angeordnet ist.
  • Das Konversionselement kann als Plättchen ausgeformt direkt auf dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge angebracht sein. Es ist möglich, dass das Plättchen die gesamte Oberfläche, insbesondere die Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips beziehungsweise der Schichtenfolge vollständig bedeckt.
  • Das optoelektronische Bauelement kann ein Gehäuse umfassen. In dem Gehäuse kann in der Mitte eine Ausnehmung vorhanden sein. Der Halbleiterchip kann in der Ausnehmung angebracht sein. Möglich ist auch, dass eine oder mehrere weitere Halbleiterchips in der Ausnehmung angebracht sind.
  • Es ist möglich, dass die Ausnehmung mit einem den Halbleiterchip beziehungsweise die Schichtenfolge abdeckenden Verguss aufgefüllt ist. Die Ausnehmung kann aber auch aus einem Luftraum bestehen.
  • In einer Ausführungsform ist das Konversionselement über der Ausnehmung des Gehäuses angeordnet. Bei dieser Ausführungsform besteht insbesondere kein direkter und/oder formschlüssiger Kontakt des Konversionselements mit dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge, das heißt dass zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip ein Abstand bestehen kann. Mit anderen Worten ist das Konversionselement dem Halbleiterchip nachgeordnet und wird von der Primärstrahlung angestrahlt. Zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip kann dann ein Verguss oder ein Luftspalt ausgebildet sein. Diese Anordnung kann auch als „Remote Phosphor Conversion“ bezeichnet werden.
  • In einer Ausführungsform ist das Konversionselement Teil eines Vergusses des Halbleiterchips oder das Konversionselement bildet den Verguss.
  • In einer Ausführungsform ist das Konversionselement als eine Schicht ausgebildet. Die Schicht kann über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips oder über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche und den Seitenflächen des Halbleiterchips angeordnet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Bauelement einen zweiten oder mehrere weitere Halbleiterchips.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine lichtemittierende Diode, kurz LED.
  • Die angegebenen Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements können für nachfolgend genannte Verwendung eingesetzt werden. Alle Merkmale des optoelektronischen Bauelements gelten auch für dessen Verwendung und umgekehrt.
  • Es wird die Verwendung eines optoelektronischen Bauelements gemäß den oben genannten Ausführungsformen zur Hinterleuchtung eines Farbfiltersystems, insbesondere eines LCD-Farbfiltersystems beziehungsweise ein Farbfiltersystem eines Displays angegeben.
  • In einer Ausführungsform der Verwendung handelt es sich bei dem Farbfiltersystem um ein Farbfiltersystem für einen Computermonitor, einen Fernseher, ein Tablet oder ein Smartphone.
  • In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Farbfiltersystem um Farbfiltersysteme der Farben Rot, Grün und Blau oder Rot, Grün, Blau und Gelb.
  • In einer Ausführungsform besitzt das Farbfiltersystem eine Transmissions-Halbwertsbreite im Bereich von 70 bis 120 nm für die Farben Rot, Grün, Blau oder Rot, Grün, Blau und Gelb.
  • In einer Ausführungsform werden die Emission des optoelektronischen Bauelements und die Transmission des Farbfiltersystems so gewählt, dass sie bei ähnlichen Wellenlängen liegen. Dadurch gibt es nur wenig Reabsorption am Farbfiltersystem.
  • Die angegebenen Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements können Bestandteil einer Beleuchtungseinheit beispielsweise für einen Fernseher, Computermonitor, ein Tablet oder ein Smartphone sein. Die unter dem Bauelement genannten Merkmale gelten auch für die Beleuchtungseinheit und umgekehrt.
  • Eine Beleuchtungseinheit umfasst ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement und ein Farbfiltersystem, insbesondere ein LCD-Farbfiltersystem. Das Farbfiltersystem dient in der Regel dazu, die Subpixel einer Beleuchtungseinheit beispielsweise eines Fernsehers, Computers, Tablets oder Smartphones zu bilden, wobei die Subpixel die Farben Blau, Grün, Rot und/oder Blau, Grün, Gelb und Rot aussenden. Die Lichtquelle für die einzelnen Subpixel bildet hierbei das optoelektronische Bauelement. Mit anderen Worten tritt die Sekundärstrahlung oder die Sekundärstrahlung und die Primärstrahlung durch das Farbfiltersystem hindurch. Die gesamte elektromagnetische Strahlung, die durch das Filtersystem hindurch tritt, wird als Strahlung eines Transmissionsspektrums bezeichnet.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
    • 1 bis 4 zeigen Emissionsspektren verschiedener Ausführungsbeispiele von optoelektronischen Bauelementen,
    • 5 bis 6 zeigen schematische Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen von optoelektronischen Bauelementen.
  • In 1 ist ein Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten Konvertermaterials, einem beta-SiAlON, im grünen Spektralbereich IIG , die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na) 2(Si, Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x''''Eux''''[LiAl3N4] mit 0,001 ≤ x"' ≤ 0,2 IIR2 . Die Emissionsspektren I, IIG , IIR1 und IIR2 zeigen eine geringe Halbwertsbreite und eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard-Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionsspektren I und IIG beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe Farbsättigung der einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG , IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW . Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,3263 und Cy = 0,2917 und einer korrelierten Farbtemperatur von 5896 K. Durch die Verwendung des ersten roten Leuchtstoffs und des zweiten roten Leuchtstoffs kann mit Vorteil ein großer Farbraum abgedeckt werden. Zudem kann eine hohe Helligkeit erzielt werden, da die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs im Vergleich zu dem zweiten roten Leuchtstoff näher am Maximum der Augenempfindlichkeit bei 555 nm liegt, wodurch die gesamte emittierte Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich einen höheren Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve aufweist. Durch die schmalbandige Emission des zweiten roten Leuchtstoffs mit einer Halbwertsbreite unter 60 nm liegt keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des Bauelements erhöht. Die Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Einsatz des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x''''Eux''''[LiAl3N4] zwei wesentliche Aspekte für Hinterleuchtungsanwendungen erfüllt werden und zwar eine hohe Helligkeit und die Abdeckung eines großen Farbraums. Im Vergleich dazu hat sich der Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiter roter Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten.
  • In 2 ist ein Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten Konvertermaterials, einem beta-SiAlON, im grünen Spektralbereich IIG , die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na) 2(Si, Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit 0,5 ≤ a ≤ 1 und 0, 001 ≤ x ≤ 0,2 IIR2 . Die Emissionenspektren I, IIG , IIR1 und IIR2 sind sehr schmalbandig und zeigen eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard-Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionen I und IIG beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe Farbsättigung der einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG , IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW . Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,3013 und Cy = 0,2893 und einer korrelierten Farbtemperatur von 7903 K. Durch die schmalbandigen Emissionen des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs liegt keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des Bauelements erhöht. Die Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Im Vergleich dazu hat sich der Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiten roten Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten.
  • In 3 ist ein Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten Konvertermaterials, Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten, die alternierend angeordnet sind, im grünen Spektralbereich IIG, die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na) 2(Si, Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit 0,5 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,2 IIR2. Die Emissionen I, IIG , IIR1 und IIR2 sind sehr schmalbandig und zeigen eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard-Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionen I und IIG beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe Farbsättigung der einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG , IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW . Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,3138 und Cy = 0,2722 und einer korrelierten Farbtemperatur von 7167 K. Durch die schmalbandigen Emissionen des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs liegt keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des Bauelements erhöht. Die Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Im Vergleich dazu hat sich der Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiten roten Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten.
  • In 4 ist ein Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten Konvertermaterials, Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten, die alternierend angeordnet sind, im grünen Spektralbereich IIG, die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x''''Eux''''[LiAl3N4] mit 0,001 ≤ x''' ≤ 0,2 IIR2 . Die Emissionen I, IIG , IIR1 und IIR2 sind sehr schmalbandig und zeigen eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard-Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionen I und IIG beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe Farbsättigung der einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG , IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW . Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,2954 und Cy = 0,2929 und einer korrelierten Farbtemperatur von 8318 K. Durch die Verwendung des ersten roten Leuchtstoffs und des zweiten roten Leuchtstoffs kann mit Vorteil ein großer Bereich des roten Spektralbereichs abgedeckt werden, wodurch ein großer Farbraum abgedeckt werden kann. Zudem kann eine hohe Helligkeit erzielt werden, da die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs im Vergleich zu dem zweiten roten Leuchtstoff näher am Maximum der Augenempfindlichkeit bei 555 nm liegt, wodurch die emittierte Sekundärstrahlung einen höheren Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve aufweist. Durch die schmalbandige Emission des zweiten roten Leuchtstoffs mit einer Halbwertsbreite unter 60 nm liegt keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des Bauelements erhöht. Die Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Einsatz des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x''''Eux''''[LiAl3N4] zwei wesentliche Aspekte für Hinterleuchtungsanwendungen erfüllt werden und zwar die maximale Helligkeit und die Abdeckung eines großen Farbraums. Im Vergleich dazu hat sich der Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiten roten Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten.
  • Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 1 weist einen Halbleiterchip 2 auf, der im Betrieb des Bauelements eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums beispielsweise mit einer Peakwellenlänge von 460 nm emittiert. Der Halbleiterchip basiert auf Aluminium-Indium-Gallium-Nitrid. Der Halbleiterchip 2 ist auf einem ersten Anschluss 4 und einem zweiten Anschluss 5 befestigt und elektrisch mit diesen Anschlüssen kontaktiert. Die Anschlüsse 4, 5 sind mit Durchkontaktierungen 4a und 5a elektrisch verbunden.
  • Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite elektrische Anschluss 4, 5 in ein lichtundurchlässiges, zum Beispiel vorgefertigtes, Gehäuse 10 mit einer Ausnehmung 11 eingebettet. Unter vorgefertigt ist zu verstehen, dass das Gehäuse 10 bereits an den Anschlüssen 4 und 5 beispielsweise mittels Spritzguss fertig gebildet ist, bevor der Halbleiterchip 2 auf die Anschlüsse 4, 5 montiert wird. Das Gehäuse umfasst zum Beispiel einen lichtundurchlässigen Kunststoff und die Ausnehmung 11 ist als Reflektor für die Primärstrahlung und Sekundärstrahlung ausgebildet, wobei die Reflexion durch das Gehäusematerial oder durch eine geeignete Beschichtung der Innenwände der Ausnehmung 11 realisiert werden kann. Die Anschlüsse 4, 5 sind aus einem Metall gebildet, das eine Reflektivität für die blaue Primärstrahlung größer als 60 %, bevorzugt größer als 70 %, besonders bevorzugt größer als 80 %, aufweist, beispielsweise Silber oder Gold.
  • Das Konversionselement 6 ist beim Ausführungsbeispiel der 5 in Form eines Vergusses ausgebildet und füllt dabei die Ausnehmung 11, wie in 5 gezeigt, aus. Dabei umfasst das Konversionselement 6 ein Silikon oder ein Epoxid, in dem Partikel eines grünen Leuchtstoffes, in diesem Fall eines grünen beta-SiAlON-Leuchtstoffesals erstes Konvertermaterial der Formel und Partikel eines zweiten Konvertermaterials eingebettet sind. Das zweite Konvertermaterial besteht aus einem ersten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+ und einem zweiten roten Leuchtstoff der Formel (Sr,Ca)1-x ''''Eux''''[LiAl3N4] mit 0,001 ≤ x'''' ≤ 0,2. Die Partikel des beta-SiAlON-Leuchtstoffs konvertieren die Primärstrahlung teilweise zu einer Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums und das zweite Konvertermaterial konvertiert die Primärstrahlung teilweise zu einer Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Durch die Überlagerung der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlungen im grünen und roten Spektralbereich resultiert eine weiße Gesamtstrahlung. Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel nach oben über das Konversionselement 6 abgestrahlt. Die Gesamtstrahlung weist bevorzugt eine Farbtemperatur von 4000 K bis 30000 K auf und liegt damit bevorzugt in der Nähe der Planck'schen Strahlungskurve oder in der Nähe der jeweiligen Isothermen. Im CIE-Farbdiagramm (1931) liegen die Farbkoordinaten des Bauelements beispielsweise bei Farborten im Bereich von Cx 0,15 - 0,40 und Cy 0,15 - 0,40, bevorzugt im Bereich von Cx 0,20 - 0,37 und Cy 0,20 - 0,37. Der Farbort bezeichnet Punkte in oder auf einem Farbkörper, welcher im Farbraum mit geeigneten Koordinaten in seiner Lage beschrieben wird. Der Farbort repräsentiert die für einen Betrachter wahrgenommene Farbe.
  • In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 1 ist das Konversionselement 6 im Unterschied zu dem Bauelement in 5 als eine Schicht ausgebildet, die über dem Halbleiterchip 2 angeordnet ist. Die Schicht ist über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet. Es ist möglich, dass die Schicht auch die Seitenwände des Halbleiterchips bedeckt (hier nicht gezeigt).
  • 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
    • 1
    optoelektronisches Bauelement
    2
    Halbleiterchip
    4
    erster Anschluss
    5
    erster Anschluss
    6
    Konversionselement
    4a
    Durchkontaktierung
    5a
    Durchkontaktierung
    10
    Gehäuse
    11
    Ausnehmung
    E
    Emission
    nm
    Nanometer
    λ
    Wellenlänge
    I
    Primärstrahlung
    IIG
    Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich
    IIR1
    Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich
    IIR2
    Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich
    EW
    weiße Gesamtstrahlung

Claims (13)

  1. Optoelektronisches Bauelement (1) zur Emission einer weißen Gesamtstrahlung umfassend einen Halbleiterchip (2), der im Betrieb des Bauelements eine Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 480 nm emittiert und ein Konversionselement (6) umfassend - ein erstes Konvertermaterial, dass dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren, - ein zweites Konvertermaterial, dass dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren, wobei das zweite Konvertermaterial einen ersten roten Leuchtstoff der Formel (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und einen zweiten roten Leuchtstoff der Formel - (M')2-x'Eux'Si2Al2N6 mit M' = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x' ≤ 0,2, insbesondere [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit M = Ca, Ba, Zn und/oder Mg,0,5 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,2, - (M")1-x"Eux"AlSiN3*Si2N2O mit M" = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x" ≤ 0,2, - (M"')2-2x'''Eu2x'''Si5N8 mit M" = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0, 001 ≤ x''' ≤ 0,2 oder - (M"")1-x''''Eux''''[LiAl3N4] mit M'''' = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x"' ≤ 0,2 umfasst.
  2. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite rote Leuchtstoff die Formel [Sr (SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit 0,8 ≤ a ≤ 1 und 0, 001 ≤ x ≤ 0,2 aufweist.
  3. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten oder einen grünen Leuchtstoff umfasst.
  4. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 3, wobei das erste Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten (3b) und Quantenschichten (3a) umfasst, wobei die Barriereschichten (3b) und Quantenschichten (3a) alternierend angeordnet sind.
  5. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 3, wobei das erste Konvertermaterial einen grünen Leuchtstoff umfasst, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Orthosilikate, Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONe und Granate umfasst.
  6. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 5, wobei das erste Konvertermaterial einen grünen OrthosilikatLeuchtstoff der Formel (AE)2-yEuySiO4 mit AE = Sr, Ca, Ba und/oder Mg und 0, 001 ≤ y ≤ 0,2 umfasst.
  7. Optoelektronisches Bauelement (1) nach nach Anspruch 5, wobei das erste Konvertermaterial einen grünen Nitridoorthosilikat-Leuchtstoff der Formel (AE)2-b-y'(RE)bEuy'SiO4-bNb mit AE = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y' ≤ 0,4, 0 ≤ b < 2-y' oder (AE')2-c-y"(RE')xEuy"Si1-dO4-c-2dNc mit AE' = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE' = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y" ≤ 0,4, 0 ≤ c < 2-y" und 0 ≤ d < 1 umfasst.
  8. Optoelektronisches Bauelement (1) nach nach Anspruch 5, wobei das erste Konvertermaterial einen grünen beta-SiAlON-Leuchtstoff der Formel Si6-z-2y'''Euy'''AlzOzN8-z mit 0 ≤ z ≤ 6 und 0, 001 ≤ y''' ≤ 0,2 umfasst.
  9. Optoelektronisches Bauelement (1) nach nach Anspruch 5, wobei das erste Konvertermaterial einen grünen Granat-Leuchtstoff der Formel (Lu,Y,Gd,Tb)3-y''''Cey''''(Al,Ga)5O12 mit 0,003 ≤ y"' ≤ 0,6 umfasst.
  10. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Konversionselement (6) Teil eines Vergusses des ersten Halbleiterchips (2) ist oder das Konversionselement (6) den Verguss bildet.
  11. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Konversionselement (6) als eine Schicht ausgebildet und direkt auf den ersten Halbleiterchip (2) aufgebracht ist.
  12. Verwendung eines optoelektronisches Bauelements (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Hinterleuchtung von Farbfiltersystemen.
  13. Beleuchtungseinheit mit - einem optoelektronischen Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, und - einem Farbfiltersystem umfassend einen blauen Filter, einen grünen Filter und einen roten Filter, die dazu eingerichtet sind, die weiße Gesamtstrahlung des optoelektronischen Bauelements (1) zu Strahlung eines Transmissionsspektrums filtern.
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