DE102017107429A1

DE102017107429A1 - Wellenlängenkonverter und optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102017107429A1
Application number: DE102017107429.5A
Authority: DE
Inventors: Tansen Varghese; Georg Roßbach
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-10-11
Also published as: WO2018184869A1

Abstract

Ein Wellenlängenkonverter umfasst mindestens einen Quantenpunkt, der in eine optische Schale eingehüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenlängenkonverter sowie ein optoelektronisches Bauelement.
Optoelektronische Bauelemente mit Wellenlängenkonvertern, die von einem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht in Licht einer anderen Wellenlänge konvertieren, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ebenfalls bekannt ist, Quantenpunkte in derartigen Wellenlängenkonvertern zur Wellenlängenkonversion einzusetzen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wellenlängenkonverter bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch einen Wellenlängenkonverter und durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein Wellenlängenkonverter umfasst mindestens einen Quantenpunkt, der in eine optische Schale eingehüllt ist. Die optische Schale des Quantenpunkts dieses Wellenlängenkonverters kann einen optischen Resonator bilden, durch den, unter Ausnutzung des Purcell-Effekts, eine Ankopplung von Moden eines den Quantenpunkt anregenden Pumplichts und/oder eines von dem Quantenpunkt abstrahlbaren konvertierten Lichts an den Quantenpunkt verbessert wird. Dadurch kann die optische Schale eine Absorptionswahrscheinlichkeit und/oder eine Emissionswahrscheinlichkeit des Quantenpunkts erhöhen. Hierdurch kann der Wellenlängenkonverter vorteilhafterweise eine hohe Konversionseffizienz aufweisen.
In der Regel wird der Wellenlängenkonverter eine Vielzahl gleichartiger Quantenpunkte aufweisen, die jeweils in eine optische Schale eingehüllt sind. Vorteilhafterweise kann der Wellenlängenkonverter durch die hohe Konversionseffizienz seiner Quantenpunkte bei gleicher Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters eine höhere Konversionseffizienz erzielen als herkömmliche Wellenlängenkonverter. Alternativ kann mit einer reduzierten Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters eine vergleichbare Konversionseffizienz wie bei herkömmlichen Wellenlängenkonvertern erzielt werden. Durch eine reduzierte Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters können sich Kosteneinsparungen ergeben. Falls die Quantenpunkte Cadmium aufweisen, kann sich aus einer reduzierten Anzahl von Quantenpunkten pro Volumen des Wellenlängenkonverters auch eine reduzierte Umweltbelastung ergeben.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist der Quantenpunkt einen Quantenpunktkern und eine den Quantenpunktkern umhüllende Quantenpunktschale auf. Dabei hüllt die optische Schale die Quantenpunktschale ein. Vorteilhafterweise eignen sich Quantenpunkte mit einer einen Quantenpunktkern und eine Quantenpunktschale aufweisenden Struktur besonders gut zur Verwendung zur Wellenlängenkonversion.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist der Quantenpunktkern CdSe auf, während die Quantenpunktschale CdS aufweist. Vorteilhafterweise eignen sich Quantenpunkte, die diese Materialkombination aufweisen, zur Wellenlängenkonversion im sichtbaren Spektralbereich oder in angrenzenden Spektralbereichen. Dadurch sind solche Quantenpunkte besonders gut zur Verwendung in Wellenlängenkonvertern geeignet.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters ist der Quantenpunkt ausgebildet, Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge von 620 nm zu emittieren. Vorteilhafterweise eignen sich der Quantenpunkt und damit der Wellenlängenkonverter in diesem Fall dazu, blaues Licht in Licht mit einer Wellenlänge aus dem orange-roten Spektralbereich zu konvertieren. Dadurch eignet sich der Wellenlängenkonverter beispielsweise zur Erzeugung von weißem Mischlicht.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist der Quantenpunkt einen Radius zwischen 10 nm und 20 nm auf, beispielsweise einen Radius von 15 nm. Vorteilhafterweise eignen sich Quantenpunkte mit einem Radius in diesem Größenbereich besonders gut zur Verwendung in Wellenlängenkonvertern.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist die optische Schale ein transparentes Material auf. Dabei ist es insbesondere zweckmäßig, wenn das Material der optischen Schale im Wellenlängenbereich des Pumplichts, mit dem der Quantenpunkt angeregt werden kann, und/oder im Wellenlängenbereich des von dem Quantenpunkt abstrahlbaren Emissionslichts, eine hohe Transparenz aufweist. Vorteilhafterweise sind dadurch durch die optische Schale des Quantenpunkts des Wellenlängenkonverters bedingte Verluste gering.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist das Material der optischen Schale Al₂O₃ auf. Vorteilhafterweise weist Al₂O₃ in für viele Anwendungszwecke eines Wellenlängenkonverters relevanten Wellenlängenbereichen eine hohe Transparenz auf. Beispielsweise eignet sich eine Al₂O₃ aufweisende optische Schale zur Verwendung in einem Wellenlängenkonverter, der dazu vorgesehen ist, Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben, orangen oder roten Spektralbereich zu konvertieren.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist die optische Schale eine Dicke zwischen 100 nm und 800 nm auf, insbesondere eine Dicke zwischen 300 nm und 500 nm, insbesondere eine Dicke zwischen 400 nm und 450 nm, insbesondere eine Dicke zwischen 410 nm und 425 nm. Vorteilhafterweise zeigen Modellrechnungen und experimentelle Ergebnisse, dass Quantenpunkte, die in eine optische Schale einer derartigen Dicke eingehüllt sind, eine besonders hohe Konversionseffizienz aufweisen können.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist dieser ein Matrixmaterial auf. Dabei ist der Quantenpunkt in das Matrixmaterial eingebettet. Vorteilhafterweise kann der Wellenlängenkonverter dadurch auf einfache Weise verarbeitet und in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet werden.
In einer Ausführungsform des Wellenlängenkonverters weist das Matrixmaterial ein Silikon auf. Vorteilhafterweise ist das Matrixmaterial des Wellenlängenkonverters in diesem Fall kostengünstig erhältlich, einfach zu verarbeiten und weist eine hohe Beständigkeit auf.
Ein optoelektronisches Bauelement umfasst einen optoelektronischen Halbleiterchip und einen Wellenlängenkonverter der vorgenannten Art.
Vorteilhafterweise kann der Wellenlängenkonverter dieses optoelektronischen Bauelements dazu dienen, von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht zumindest teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge zu konvertieren. Beispielsweise kann der Wellenlängenkonverter dazu dienen, von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen oder ultravioletten Spektralbereich in Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben, orangen oder roten Spektralbereich zu konvertieren. Dabei kann der Wellenlängenkonverter vorteilhafterweise eine besonders hohe Konversionseffizienz aufweisen. Der optoelektronische Halbleiterchip kann beispielsweise ein Leuchtdiodenchip (LED-Chip) sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung

1 eine geschnittene Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements mit einem optoelektronischen Halbleiterchip und einem Wellenlängenkonverter;
2 eine geschnittene Seitenansicht des Wellenlängenkonverters;
3 ein erstes Schalendickenabhängigkeitsdiagramm; und
4 ein zweites Schalendickenabhängigkeitsdiagramm.

1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 in schematischer Darstellung. Das optoelektronische Bauelement 100 ist dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht, abzustrahlen. Das optoelektronische Bauelement 100 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, weißes Licht zu erzeugen. Das optoelektronische Bauelement 100 kann beispielsweise ein Leuchtdiodenbauelement (LED-Bauelement) sein.
Das optoelektronische Bauelement 100 weist einen optoelektronischen Halbleiterchip 200 auf. Der optoelektronische Halbleiterchip 200 kann beispielsweise ein Leuchtdiodenchip (LED-Chip) sein. Der optoelektronische Halbleiterchip 200 ist dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus einem Pumpwellenlängenbereich zu emittieren. Beispielsweise kann der optoelektronische Halbleiterchip 200 ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem blauen oder ultravioletten Spektralbereich zu emittieren. Die von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittierte elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise eine Wellenlänge zwischen 320 nm und 500 nm aufweisen. Von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittierte elektromagnetische Strahlung wird im weiteren Text als Pumplicht 110 bezeichnet.
Im in 1 gezeigten Beispiel ist der optoelektronische Halbleiterchip 200 als oberflächenemittierender Leuchtdiodenchip ausgebildet. Von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 wird an einer Strahlungsemissionsfläche 210 des optoelektronischen Halbleiterchips 200 abgestrahlt. Der optoelektronische Halbleiterchip 200 könnte aber beispielsweise auch als volumenemittierender Leuchtdiodenchip ausgebildet sein. In diesem Fall würde von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 auch an Seitenflächen des optoelektronischen Halbleiterchips 200 abgestrahlt werden.
Das optoelektronische Bauelement 100 umfasst außerdem einen Wellenlängenkonverter 300. Der Wellenlängenkonverter 300 ist dazu vorgesehen, zumindest einen Teil des von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 des optoelektronischen Bauelements 100 emittierten Pumplichts 110 in konvertiertes Licht 120 mit einer Wellenlänge aus einem Konversionswellenlängenbereich zu konvertieren. Dabei weist das konvertierte Licht 120 eine größere Wellenlänge auf als das Pumplicht 110. Beispielsweise kann das durch den Wellenlängenkonverter 300 konvertierte Licht 120 eine Wellenlänge aus dem roten, orangen, gelben oder grünen Spektralbereich aufweisen. Das konvertierte Licht 120 kann beispielsweise eine Wellenlänge zwischen 500 nm und 800 nm aufweisen.
Die Wellenlängenkonvertierung durch den Wellenlängenkonverter 300 erfolgt, indem zumindest ein Teil des durch den optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittierten Pumplichts 110 in dem Wellenlängenkonverter 300 absorbiert wird. Die absorbierte Energie gibt der Wellenlängenkonverter 300 zumindest zum Teil durch Abstrahlung des konvertierten Lichts 120 wieder ab.
2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung des Wellenlängenkonverters 300 des optoelektronischen Bauelements 100. Der Wellenlängenkonverter 300 weist ein Matrixmaterial 310 und mindestens einen in das Matrixmaterial 310 eingebetteten Quantenpunkt 400 auf. In der Praxis wird der Wellenlängenkonverter 300 eine sehr große Anzahl von gleichartig ausgebildeten und das Matrixmaterial 310 eingebetteten Quantenpunkten 400 aufweisen. In der schematischen Darstellung der 2 ist jedoch lediglich einer dieser Quantenpunkte 400 gezeigt.
Das Matrixmaterial 310 des Wellenlängenkonverters 300 kann beispielsweise ein Silikon aufweisen. Das Matrixmaterial 310 des Wellenlängenkonverters 300 kann aber auch ein Epoxid, eine Mischung eines Epoxids und eines Silikons oder ein anderes Material aufweisen.
Der Quantenpunkt 400 ist dazu ausgebildet, von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 mit einer Wellenlänge aus dem Pumpwellenlängenbereich zu absorbieren. Nach einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 kann der Quantenpunkt 400 ein Quant des konvertieren Lichts 120 mit einer Wellenlänge aus dem Konversionswellenlängenbereich emittieren. Beispielsweise kann der Quantenpunkt 400 dazu ausgebildet sein, von dem optoelektronischen Halbleiterchip 200 emittiertes Pumplicht 110 mit einer Wellenlänge von 450 nm zu absorbieren. Weiter kann der Quantenpunkt 400 beispielsweise dazu ausgebildet sein, konvertiertes Licht 120 mit einer Wellenlänge von 620 nm zu emittieren.
Der Quantenpunkt 400 weist im dargestellten Beispiel einen Quantenpunktkern 410 und eine den Quantenpunktkern 410 umhüllende Quantenpunktschale 420 auf. Der Quantenpunktkern 410 kann beispielsweise CdSe aufweisen. Die Quantenpunktschale 420 kann beispielsweise CdS aufweisen. Der Quantenpunkt 400 könnte aber auch andere Materialien aufweisen. Ebenfalls möglich ist, dass der Quantenpunkt 400 nicht mit Quantenpunktkern 410 und Quantenpunktschale 420 ausgebildet ist, sondern beispielsweise als materialeinheitlicher Körper.
Der Quantenpunkt 400 ist im dargestellten Beispiel im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet und weist einen Radius 401 auf. Der Radius 401 des Quantenpunkts 400 kann beispielsweise zwischen 10 nm und 20 nm liegen. Beispielsweise kann der Radius 401 des Quantenpunkts 400 15 nm betragen.
Falls der Wellenlängenkonverter 300 mehrere Quantenpunkte 400 aufweist, so weisen bevorzugt alle Quantenpunkte 400 des Wellenlängenkonverters 300 eine ähnliche Form und Größe auf. Die angegebenen Werte des Radius 401 können beispielsweise einen Medianwert (D50-Wert) der Radien 401 der Quantenpunkte 400 bilden.
Der Quantenpunkt 400 ist in eine optische Schale 500 eingehüllt. Die optische Schale 500 weist im dargestellten Beispiel die Form einer Kugelschale mit einer Dicke 501 auf.
Die optische Schale 500 weist ein dielektrisches Material auf, das im Pumpwellenlängenbereich und im Konversionswellenlängenbereich eine möglichst hohe Transparenz aufweist. Beispielsweise kann die optische Schale 500 Al₂O₃ aufweisen. Alternativ könnte die optische Schale 500 beispielsweise TiO₂ oder SiO₂ aufweisen.
Die den Quantenpunkt 400 einhüllende optische Schale 500 bildet einen Resonator, der eine Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 und/oder von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 erhöht. Dies ist als Purcell-Effekt bekannt. Durch eine Erhöhung der Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 wird die Wahrscheinlichkeit einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 durch den Quantenpunkt 400 erhöht. Durch eine Erhöhung der Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 wird die Wahrscheinlichkeit einer Emission eines Quants des konvertierten Lichts 120 durch den Quantenpunkt 400 erhöht. Dadurch kann die optische Schale 500 eine Erhöhung einer Konversionseffizienz des Wellenlängenkonverters 300 bewirken.
Die Brechungsindizes der Materialien des Quantenpunkts 400, der optischen Schale 500 und des Matrixmaterials 310, sowie der Radius 401 des Quantenpunkts 400 und die Dicke 501 der optischen Schale 500 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die optische Schale 500 die Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 und/oder die Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 erhöht. Bevorzugt sind die genannten Parameter so gewählt, dass sowohl die Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 als auch die Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 gegenüber einer Situation ohne optische Schale 500 erhöht sind. Möglich ist aber auch, dass entweder nur die Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 an den Quantenpunkt 400 oder nur die Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 gegenüber einer Situation ohne optische Schale 500 erhöht sind. Geeignete Werte der genannten Parameter lassen sich experimentell oder durch Modellrechnungen ermitteln.
3 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 600. 4 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 601. Das erste Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 600 und das zweite Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 601 geben eine durch Modellrechnungen ermittelte Abhängigkeit der Ankopplung von Moden des Pumplichts 110 und der Ankopplung von Moden des konvertierten Lichts 120 an den Quantenpunkt 400 als Funktion der jeweils auf der horizontalen Achse aufgetragenen Dicke 501 der optischen Schale 500 an.
Die in 3 und 4 gezeigten Modellrechnungen wurden für den Fall durchgeführt, dass der Quantenpunktkern 410 des Quantenpunkts 400 CdSe aufweist, während die Quantenpunktschale 420 des Quantenpunkts 400 CdS aufweist. Dabei beträgt der Radius 401 des Quantenpunkts 400 im Modell 15 nm. Das Pumplicht 110 weist im Modell eine Wellenlänge von 450 nm auf. Das konvertierte Licht 120 weist im der Modellrechnung zugrunde gelegten Fall eine Wellenlänge von 620 nm auf. Die optische Schale 500 des Quantenpunkts 400 weist in der Modellrechnung Al₂O₃ auf.
Im in 3 gezeigten ersten Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 600 gibt ein Absorptionsverlauf 610 die Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 durch den Quantenpunkt 400 als Funktion der Dicke 501 der optischen Schale 500 an. Im in 4 gezeigten zweiten Schalendickenabhängigkeitsdiagramm 601 gibt ein Emissionsverlauf 620 die Wahrscheinlichkeit einer Emission eines Quants des konvertierten Lichts 120 durch den Quantenpunkt 400 als Funktion der Dicke 501 der optischen Schale 500 an. Erkennbar ist, dass in einem günstigen Dickenbereich 502 der Dicke 501 sowohl die Wahrscheinlichkeit einer Absorption eines Quants des Pumplichts 110 durch den Quantenpunkt 400 als auch die Wahrscheinlichkeit einer Emission eines Quants des konvertierten Lichts 120 durch den Quantenpunkt 400 hohe Werte aufweisen. Der günstige Dickenbereich 502 liegt im dargestellten Beispiel etwa zwischen 410 nm und 425 nm, insbesondere etwa bei 420 nm.
Im Allgemeinen kann die Dicke 501 der optischen Schale 500 beispielsweise zwischen 100 nm und 800 nm liegen, insbesondere zwischen 300 nm und 500 nm, insbesondere zwischen 400 nm und 450 nm.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: optoelektronisches Bauelement
110: Pumplicht
120: konvertiertes Licht
200: optoelektronischer Halbleiterchip
210: Strahlungsemissionsfläche
300: Wellenlängenkonverter
310: Matrixmaterial
400: Quantenpunkt
401: Radius

410: Quantenpunktkern
420: Quantenpunktschale
500: optische Schale
501: Dicke
502: günstiger Dickenbereich
600: erstes Schalendickenabhängigkeitsdiagramm
601: zweites Schalendickenabhängigkeitsdiagramm
610: Absorptionsverlauf
620: Emissionsverlauf

Claims

Wellenlängenkonverter (300) mit mindestens einem Quantenpunkt (400), der in eine optische Schale (500) eingehüllt ist.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß Anspruch 1, wobei der Quantenpunkt (400) einen Quantenpunktkern (410) und eine den Quantenpunktkern (410) umhüllende Quantenpunktschale (420) aufweist, wobei die optische Schale (500) die Quantenpunktschale (420) einhüllt.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß Anspruch 2, wobei der Quantenpunktkern (410) CdSe aufweist und die Quantenpunktschale (420) CdS aufweist.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quantenpunkt (400) ausgebildet, Licht (110) mit einer Wellenlänge von 450 nm zu absorbieren und Licht (120) mit einer Wellenlänge von 620 nm zu emittieren.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quantenpunkt (400) einen Radius (401) zwischen 10 nm und 20 nm aufweist, insbesondere einen Radius (401) von 15 nm.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Schale (500) ein transparentes Material aufweist.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der optischen Schale (500) Al₂O₃ aufweist.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Schale (500) eine Dicke (501) zwischen 100 nm und 800 nm aufweist, insbesondere eine Dicke (501) zwischen 300 nm und 500 nm, insbesondere eine Dicke (501) zwischen 400 nm und 450 nm, insbesondere eine Dicke (501) zwischen 410 nm und 425 nm.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wellenlängenkonverter (300) ein Matrixmaterial (310) aufweist, wobei der Quantenpunkt (400) in das Matrixmaterial (310) eingebettet ist.
Wellenlängenkonverter (300) gemäß Anspruch 9, wobei das Matrixmaterial (310) ein Silikon aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (100) mit einem optoelektronischen Halbleiterchip (200) und einem Wellenlängenkonverter (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.