DE102017120642A1

DE102017120642A1 - Leuchtdiode, Verwendung einer Leuchtdiode, Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode und Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode

Info

Publication number: DE102017120642A1
Application number: DE102017120642.6A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tångring; Ion Stoll
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-07
Also published as: WO2019048415A1

Abstract

Eine Leuchtdiode (100) weist einen optoelektronischen Halbleiterchip (1) und ein Konverterelement (2) auf. Der Halbleiterchip und das Konverterelement sind so eingerichtet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb der Halbleiterchip erste Strahlung eines ersten Spektralbereichs emittiert. Das Konverterelement konvertiert einen Teil der von dem Halbleiterchip emittierten ersten Strahlung in zweite Strahlung eines zweiten Spektralbereichs. Die Leuchtdiode emittiert Mischstrahlung aus der nicht konvertierten ersten Strahlung und der zweiten Strahlung. Die Mischstrahlung weist ein Spektrum mit einem ersten und einem zweiten lokalen Intensitätsmaximum auf. Das erste Intensitätsmaximum liegt in einem ersten Spektralbereich (31) zwischen einschließlich 630 nm und 690 nm, das zweite Intensitätsmaximum liegt in einem zweiten Spektralbereich (32) zwischen einschließlich 700 nm und 760 nm. Der im zweiten Spektralbereich liegende Anteil der Mischstrahlung beträgt zumindest 10 % und höchstens 40 % des im ersten Spektralbereich liegenden Anteils der Mischstrahlung.

Description

Es wird eine Leuchtdiode angegeben. Darüber hinaus werden eine Verwendung einer Leuchtdiode, ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode und ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine kompakte Leuchtdiode anzugeben, die zur Pflanzenaufzucht genutzt werden kann. Weitere zu lösende Aufgaben bestehen darin, eine Verwendung einer solchen Leuchtdiode, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Leuchtdiode und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leuchtdiode anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche sowie durch die Verwendung und das Verfahren der Patentansprüche 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Leuchtdiode einen optoelektronischen Halbleiterchip und ein Konverterelement auf. Bevorzugt umfasst die Leuchtdiode nur einen einzigen optoelektronischen Halbleiterchip.
Der Halbleiterchip umfasst eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung. Die Halbleiterschichtenfolge basiert zum Beispiel auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, oder um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder Al_nIn_1-n-mGa_mAsP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN oder AlInGaP.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine aktive Schicht. Die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur und kann zum Beispiel im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich erzeugen. Bevorzugt umfasst der Halbleiterchip eine, insbesondere genau eine, zusammenhängende aktive Schicht.
Unter einem Halbleiterchip wird hier und im Folgenden ein separat handhabbares und elektrisch kontaktierbares Element verstanden. Ein Halbleiterchip entsteht insbesondere aus der Vereinzelung einer auf einem Aufwachssubstrat gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Ein Halbleiterchip umfasst bevorzugt genau einen ursprünglich zusammenhängenden Bereich der gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere umfasst ein Halbleiterchip eine, zum Beispiel genau eine, aktive Schicht. Die laterale Ausdehnung des Halbleiterchips, gemessen parallel zur Haupterstreckungsrichtung der aktiven Schicht, ist beispielsweise höchstens 1 % oder höchstens 5 % größer als die laterale Ausdehnung der aktiven Schicht.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich beispielsweise um einen so genannten Flip-Chip und/oder einen Dünnfilmhalbleiterchip, bei dem das Aufwachsubstrat für die Halbleiterschichtenfolge abgelöst ist. Alternativ kann der Halbleiterchip aber auch ein Volumenemitter sein, bei dem das Aufwachssubstrat zum Beispiel noch vorhanden ist. Der Volumenemitter kann auch als Flip-Chip ausgeführt sein.
Das Konverterelement ist bevorzugt als eine zusammenhängende oder einfach zusammenhängende Schicht ausgebildet. Beispielsweise bedeckt das Konverterelement eine Strahlungsaustrittsfläche und Seitenflächen des Halbleiterchips teilweise oder vollständig. Zum Beispiel formt das Konverterelement den Halbleiterchip formschlüssig oder konform nach. Das Konverterelement kann an der Strahlungsaustrittsfläche und/oder den Seitenflächen unmittelbar an den Halbleiterchip angrenzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip so eingerichtet, dass er im bestimmungsgemäßen Betrieb erste Strahlung eines ersten Spektralbereichs emittiert. Unter der von dem Halbleiterchip emittierten ersten Strahlung ist insbesondere die Strahlung verstanden, die unmittelbar von der aktiven Schicht des Halbleiterchips erzeugt wird. Die erste Strahlung ist also inhärente Strahlung des Halbleiterchips. Das heißt, die erste Strahlung selbst umfasst keine Anteile, die bereits von einem Konverterelement konvertiert wurden. Die erste Strahlung ist somit unkonvertierte Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konverterelement so eingerichtet, dass es im bestimmungsgemäßen Betrieb einen Teil der von dem Halbleiterchip emittierten ersten Strahlung in zweite Strahlung eines zweiten Spektralbereichs konvertiert. Unter der zweiten Strahlung wird also nur die Strahlung verstanden, die von dem Konverterelement umgewandelt oder konvertiert wurde. Der zweite Spektralbereich unterscheidet sich von dem ersten Spektralbereich und ist insbesondere rot verschoben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert die Leuchtdiode im bestimmungsgemäßen Betrieb Mischstrahlung aus der übrig gebliebenen, nicht konvertierten ersten Strahlung und der zweiten Strahlung. Bevorzugt besteht die von der Leuchtdiode im bestimmungsgemäßen Betrieb emittierte Mischstrahlung ausschließlich aus der nicht konvertierten ersten Strahlung und der zweiten Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Mischstrahlung ein Spektrum mit einem ersten lokalen Intensitätsmaximum und einem zweiten lokalen Intensitätsmaximum auf.
Unter dem Spektrum wird hier insbesondere die Intensitätsverteilung der Mischstrahlung als Funktion der Wellenlänge verstanden. Ein lokales Intensitätsmaximum ist insbesondere die Spitze eines Peaks in dem Spektrum der Mischstrahlung. Links und rechts des ersten und zweiten Intensitätsmaximums, insbesondere auch im Bereich zwischen dem ersten und zweiten Intensitätsmaximum, fällt die Intensität der Mischstrahlung beispielsweise auf einen Wert von höchstens 60 % oder höchstens 50 % oder höchstens 30 % oder höchstens 20 % oder höchstens 10 % der Intensität an der Stelle des ersten und/oder zweiten Intensitätsmaximums ab.
Die den lokalen Intensitätsmaxima zugeordneten Peaks im Spektrum haben beispielsweise eine Halbwertsbreite (FWHM) von höchstens 70 nm oder höchstens 50 nm oder höchstens 40 nm oder höchstens 30 nm. Beispielsweise können die Peaks mit einer Gauß-Funktion oder einer Breit-Wigner-Funktion gefittet werden. Die Peaks haben insbesondere eine statistische Signifikanz.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt das erste Intensitätsmaximum in einem ersten Spektralbereich oder ersten Wellenlängenbereich. Der erste Spektralbereich ist der Bereich zwischen einschließlich 630 nm und 690 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 650 nm und 670 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 655 nm und 675 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt das zweite Intensitätsmaximum in einem zweiten Spektralbereich oder zweiten Wellenlängenbereich. Der zweite Spektralbereich ist der Bereich zwischen einschließlich 700 nm und 760 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 720 nm und 740 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 725 nm und 735 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt der im zweiten Spektralbereich liegende Anteil der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung zumindest 10 % oder zumindest 12 % oder zumindest 15 % oder zumindest 17 % des im ersten Spektralbereich liegenden Anteils der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung. Alternativ oder zusätzlich beträgt der im zweiten Spektralbereich liegende Anteil der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung höchstens 40 % oder höchstens 35 % oder höchstens 30 % oder höchstens 27 % oder höchstens 25 % oder höchstens 23 % des im ersten Spektralbereich liegenden Anteils der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung.
Unter dem Anteil der Mischstrahlung im ersten Spektralbereich wird hier und im Folgenden die über diesen Spektralbereich integrierte Intensität der Mischstrahlung verstanden. Analoges gilt für den Anteil der Mischstrahlung im zweiten Spektralbereich. Die Gesamtintensität der Mischstrahlung ist die über den gesamten Spektralbereich integrierte Intensität der Mischstrahlung.
Der Anteil der Mischstrahlung im zweiten Spektralbereich beträgt beispielsweise zumindest 5 % oder zumindest 10 % der Gesamtintensität der Mischstrahlung.
In mindestens einer Ausführungsform weist die Leuchtdiode einen optoelektronischen Halbleiterchip und ein Konverterelement auf. Der Halbleiterchip und das Konverterelement sind so eingerichtet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb der Halbleiterchip erste Strahlung eines ersten Spektralbereichs emittiert. Das Konverterelement konvertiert einen Teil der von dem Halbleiterchip emittierten ersten Strahlung in zweite Strahlung eines zweiten Spektralbereichs. Die Leuchtdiode emittiert Mischstrahlung aus der nicht konvertierten ersten Strahlung und der zweiten Strahlung. Die Mischstrahlung weist ein Spektrum mit einem ersten und einem zweiten lokalen Intensitätsmaximum auf. Das erste Intensitätsmaximum liegt in einem ersten Spektralbereich zwischen einschließlich 630 nm und 690 nm, das zweite Intensitätsmaximum liegt in einem zweiten Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 760 nm. Der im zweiten Spektralbereich liegende Anteil der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung beträgt zumindest 10 % und höchstens 40 % des im ersten Spektralbereich liegenden Anteils der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zu Grunde, dass eine effektive Aufzucht von Pflanzen eine Beleuchtung dieser Pflanzen mit Licht aus dem Spektralbereich um zirka 660 nm und aus dem Spektralbereich um zirka 730 nm benötigt. Dieser sogenannte „Emerson Enhancement Effect“ ist wohl darauf zurückzuführen, dass in einer Pflanze zwei Fotosyntheseprozesse ablaufen, wobei der erste Fotosyntheseprozess besonders durch Licht aus dem Spektralbereich um zirka 660 nm und der zweite Fotosyntheseprozess besonders durch Licht aus dem Spektralbereich um zirka 730 nm angeregt wird. Werden beide Prozesse gleichzeitig angeregt, so verstärken sie sich gegenseitig, was die Geschwindigkeit des Pflanzenwachstums erhöht. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Intensität des Lichtes aus dem Spektralbereich um zirka 730 nm etwa 20 % der Intensität des Lichts aus dem Spektralbereich um zirka 660 nm ausmacht.
In üblichen Bestrahlungseinrichtungen für Pflanzen werden Beleuchtungssysteme aus mehreren LEDs zur Bestrahlung verwendet. Zum Beispiel könnte ein Beleuchtungssystem verwendet werden, bei der zu jeder fünften 660 nm LED eine 730 nm LED verwendet wird. Sollen die Beleuchtungssysteme verkleinert werden, so müssen weniger LEDs verwendet werden. Bei einem sehr kleinen Beleuchtungssystem könnten zum Beispiel zwei LEDs, eine 660 nm LED und eine 730 nm LED, verwendet werden, wobei die 730 nm LED mit einer geringeren Eingangsleistung betrieben wird, um das gewünschte Intensitätsverhältnis von zirka 5:1 zu erreichen. Dies erfordert allerdings wiederum kompliziertere Schaltungen und ist daher wenig platzsparend und auch kostenaufwändig.
Bei der vorliegenden Erfindung wird vorteilhaft nur eine einzige LED benötigt, um Licht mit den gewünschten Rotanteilen zu erhalten. Dies wird insbesondere durch die Verwendung eines entsprechend gewählten Konverterelements ermöglicht. Mit einer solchen Leuchtdiode kann ein besonders kompaktes, insbesondere nur eine einzige LED umfassendes Beleuchtungssystem für ein effizientes Pflanzenwachstum realisiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konverterelement ein erstes Konversionsmaterial auf oder besteht daraus. Das erste Konversionsmaterial ist so eingerichtet, dass es die erste Strahlung überwiegend in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 800 nm, bevorzugt in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 760 nm konvertiert. Insbesondere umfasst das erste Konversionsmaterial alle Konverterpartikel des Konverterelements, die überwiegend in den Spektralbereich zwischen 700 nm und 800 nm konvertieren.
„Überwiegend“ bedeutet hier und im Folgenden, dass zumindest 50 % oder zumindest 60 % oder zumindest 70 % oder zumindest 80 % der Strahlung oder der Strahlungsintensität im besagten Wellenlängenbereich liegt.
Das erste Konversionsmaterial ist insbesondere so gewählt, dass die durch das erste Konversionsmaterial konvertierte Strahlung ein Intensitätsmaximum im Bereich um 730 nm, beispielsweise im Bereich zwischen einschließlich 720 nm und 740 nm, aufweist.
Das erste Konversionsmaterial kann einen oder mehrere verschiedene Stoffe, insbesondere mehrere verschiedene Partikel oder Moleküle aufweisen.
Zum Beispiel umfasst das erste Konversionsmaterial organische oder metallorganische, fluoreszente oder phosphoreszente Moleküle, wie Acridine, Acridinone, Anthrachinone, Anthracene, Cyanine, Dansyle, Squaryllium-fluorophore, Spiropyrane, Boron-dipyrromethene (BODIPY), Perylene (bevorzugt Perylendiimide; Lumogen), Pyrene, Naphthalene, Flavine, Pyrrole, Porphyrine und deren Metallkomplexe, Diarylmethane, Triarylmethane, Phthalocyanine und die MetallKomplexe von Phthalocyaninen, Quinone, Azo-Farbstoffe, Indophenole, Oxazine, Oxazone, Thiazine und Thiazole, Xanthene, Fluorene, Flurone, Pyronine, Rhodamine, Coumarine.
Bei metallorganischen Molekülen werden als Metall zum Beispiel Übergangsmetalle, wie Rh, Os, Ru, Ir, Pd und Pt, besonders bevorzugt Ir(III), Os(II), Pt(II), Ru(II), verwendet. Beispielsweise folgende organische Liganden oder Liganden abgeleitet von den folgenden Grundgerüsten können verwendet werden: Porphyrine, Porphine, 2,2-Bipyridine, 2-Phenylpyridine, 3-(Thiazol-2-yl), 3-(Benzothiazol-2-yl), 3-(Imidazol-2-yl), 3-(Benzimidazol-2-yl), Pyridylazolate, Tris[4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline]ruthenium(II) chloride, Iridium(III)bis(2-phenylquinolyl)-2-N,C2'acetylacetonate, Bis[2-(2'-benzothienyl)-pyridinato-N,C3']iridium(acetylacetonat), Tris(2,5-bis-2'-(9',9'-dihexylfluorene)pyridine)iridium(III), (btp) 2Ir (acac), (piq) 3Ir, (piq) 2Ir (acac), wobei piq = 1-phenylisoquinolinato, btp = 2-(2'-benzo[4,5-α]thienyl)pyridinato, acac = acetylacetonate, Pt (II) tetraphenyltetrabenzoporphyrin, Pd(II)tetraphenyltetrabenzoporphyrin, [Os(btfp)2(dppb)], [Os(btfp)2(pp2b)], [Os(tfp)2(dppb)], [Os(ibifp)2(dppb)], wobei btfp = 5-(benzothiazol-2-yl)-3-trifluoromethylpyrazole, dppb = 1,2-bis(diphenylphosphino)benzene, pp2b = 2-bis(phospholano)benzene, tfp = 5-(thiazol-2-yl)-3-trifluoromethylpyrazole, ibifp = 5-(1-isopropylbenzimidazol-2-yl)-3-trifluoromethylpyrazol.
Weitere mögliche Materialien für das erste Konversionsmaterial sind in dem Papier „Near-infrared phosphorescence: materials and applications“ von Haifeng Xiang et al. (Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 6128-6185) und in dem Papier „Review of Long-Wavelength Optical and NIR Imaging Materials: Contrast Agents, Fluorophores, and Multifunctional Nano Carriers" von Vikram Pansare et al. (Chem. Mater., 2012, 24(5), pp 812-827) angegeben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird.
Für das erste Konversionsmaterial können auch (nanopartikuläre) Halbleitermaterialien und dotierte Halbleitermaterialien genutzt werden, wie zum Beispiel CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AIP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, InN oder deren Mischkristalle (ternär, quaternär, et cetera) Eine Kombination aus mehreren unterschiedlichen Schichten dieser Materialien ist auch möglich. Als Halbleitermaterial, welches als Wirtsmaterial für Metall-Ionen zur Photon-Photon-Konversion dient, kann zusätzlich zu den oben erwähnten Halbleitermaterialien auch zum Beispiel GaN, ZnO, SnO₂, MgS, MgSe, BeTe verwendet werden.
Für das erste Konversionsmaterial können auch anorganischorganische Hybrid-Halbleiter verwendete werden, wie sie zum Beispiel in dem Papier „A Family of Highly Efficient CuI-Based Lighting Phosphors Prepared by a Systematic, Bottom-up Synthetic Approach“ von Wei Liu et al. (J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (29), pp 9400-9408) angegeben sind, wobei dessen Offenbarungsgehalt und der Offenbarungsgehalt der in diesem Papier angegebenen Referenzen hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste Konversionsmaterial ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten Konverterpartikeln. Bei den Konverterpartikeln kann sich um Partikel aus den oben angegebenen Materialien handeln. Das Matrixmaterial kann zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder daraus bestehen: Polyolefine (beispielsweise Polyethylen (PE) mit hoher oder niedriger Dichte oder Polypropylen (PP)), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polyester, Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyethylennaphthalat (PEN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyetherketone (PEEK), Polyamide, Polyphthalamide (PPA), Polycyclohexylendimethylenterephthalat (PCT), Silikone, Epoxide oder ein flüssigkristallines Polymer (liquid crystalline polymer - LCP).
Das Matrixmaterial kann zusätzlich mit einer polymeren Feuchtigkeits- und/oder Gasbarriere versehen sein. Die Konzentration von Konverterpartikeln in dem Matrixmaterial liegt beispielsweise im Bereich zwischen einschließlich 0,001 g/l und 0,1 g/l oder zwischen einschließlich 0,002 mol/kg und 0,2 mol/kg. Solche Bereiche sind insbesondere vorteilhaft bei einem Lichtweg durch das erste Konversionsmaterial von zirka 1,5 mm, beispielsweise bei einem Lichtweg zwischen einschließlich 1 mm und 2 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Konversionsmaterial in Form einer Schicht auf und/oder lateral neben dem Halbleiterchip angeordnet. Insbesondere sind zumindest 90 % oder zumindest 95 % des ersten Konversionsmaterials in einer Schicht angeordnet. Diese Schicht hat beispielsweise im Rahmen der Herstellungstoleranz eine konstante Schichtdicke. Innerhalb der Schicht ist die Konzentration an dem ersten Konversionsmaterial bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranz homogen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Dicke der Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial zumindest 5 µm oder zumindest 10 µm oder zumindest 15 µm oder zumindest 20 µm. Alternativ oder zusätzlich ist die Dicke der Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial höchstens 40 µm oder höchstens 35 µm oder höchstens 30 µm. Diese Dicken weist die Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial insbesondere dann auf, wenn diese Schicht durch einen Sedimentation des ersten Konversionsmaterials erzeugt ist. Es sind für die Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial aber auch größere Schichtdicken denkbar, zum Beispiel zwischen einschließlich 100 µm und 200 µm, insbesondere wenn das erste Konversionsmaterial sich nicht durch Sedimentation abgesetzt hat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Leuchtdiode des Weiteren einen Träger. Der Träger ist bevorzugt reflektierend für die erste Strahlung und/oder die zweite Strahlung und/oder die Mischstrahlung ausgebildet. Der Reflexionsgrad des Trägers für diese Strahlung/en beträgt beispielsweise zumindest 80 % oder zumindest 90 %. Der Träger ist mechanisch selbsttragend und trägt den Halbleiterchip und das Konverterelement. Bevorzugt umfasst der Träger einen metallischen Leiterrahmen und einen Gehäusekörper, wobei der Leiterrahmen mit dem Gehäusekörper umgossen ist. Der Gehäusekörper ist beispielsweise elektrisch isolierend und isoliert zwei Kontaktbereiche des Leiterrahmens, über die der Halbleiterchip elektrisch kontaktiert ist, voneinander. Der Träger umfasst beispielsweise einen im Wesentlichen ebenen Montagebereich, auf den der Halbleiterchip befestigt und elektrisch angeschlossen ist. Der Gehäusekörper kann den Halbleiterchip in lateraler Richtung, parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der Leuchtdiode, umgeben. Beispielsweise bildet der Gehäusekörper einen den Halbleiterchip lateral umgebenden Damm. Anders ausgedrückt weist der Träger eine Kavität auf, in der der Halbleiterchip angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Halbleiterchip und das Konverterelement mit einem strahlungsdurchlässigen Verguss vergossen, insbesondere vollständig vergossen.
Der Halbleiterchip umfasst zum Beispiel eine Strahlungsaustrittsfläche, die eine Hauptseite des Halbleiterchips bildet und über die im bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest 50 % oder zumindest 80 % der ersten Strahlung aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt werden. Ferner umfasst der Halbleiterchip zum Beispiel quer zur Strahlungsaustrittsfläche verlaufende Seitenflächen. Die Strahlungsaustrittsfläche ist zum Beispiel dem Montagebereich des Trägers abgewandt. Der strahlungsdurchlässige Verguss überdeckt die Strahlungsaustrittsfläche und die Seitenfläche teilweise oder vollständig. Bevorzugt überdeckt der strahlungsdurchlässige Verguss außerdem eine dem Träger abgewandte Seite des Konverterelements teilweise oder vollständig.
Der Damm des Trägers umgibt beispielsweise den strahlungsdurchlässigen Verguss und verhindert bei dem Einbringen des Vergusses ein seitliches oder laterales Abfließen des Vergusses. Anders ausgedrückt ist die Kavität des Trägers mit dem strahlungsdurchlässigen Verguss gefüllt.
Bei dem strahlungsdurchlässigen Verguss handelt es sich beispielsweise um Silikon oder Epoxid. Der strahlungsdurchlässige Verguss ist insbesondere transparent, also klarsichtig, für die erste Strahlung und/oder die zweite Strahlung und/oder die Mischstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Träger Gold und/oder Kupfer oder besteht daraus. Insbesondere umfasst der Leiterrahmen des Trägers Gold und/oder Kupfer oder besteht daraus. Insbesondere eine dem Halbleiterchip zugewandte Oberfläche des Trägers und/oder des Leiterrahmens umfasst Gold und/oder Kupfer oder besteht daraus. Zur Reflexion von rotem Licht haben Gold und Kupfer eine ausreichende Reflektivität, sodass kein Silber verwendet werden muss. Gold und Kupfer sind zudem korrosionsbeständiger als Silber. Der Gehäusekörper kann zum Beispiel einen Kunststoff aufweisen oder daraus bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Konversionsmaterial nur im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip auf dem Träger angeordnet. Insbesondere ist das erste Konversionsmaterial also nicht auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet. Im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip ist das erste Konversionsmaterial bevorzugt in Form einer Schicht ausgebildet. Diese Schicht kann im Bereich der Seitenflächen direkt an den Halbleiterchip angrenzen. Zum Beispiel bedeckt die Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial alle Stellen des Montagebereichs des Trägers, die nicht von dem Halbleiterchip überdeckt sind.
Eine laterale Richtung ist vorliegend eine Richtung parallel zu den Hauptseiten des Halbleiterchips und/oder parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des Halbleiterchips und/oder parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des Trägers.
Durch eine solche Anordnung des ersten Konversionsmaterials ist erreicht, dass die über die Strahlungsaustrittsfläche emittierte erste Strahlung nicht zwingend auf das erste Konversionsmaterial trifft. Vielmehr trifft nur die beispielsweise an einer Außenfläche des strahlungsdurchlässigen Vergusses rückreflektierte erste Strahlung oder die von Anfang an in Richtung des Trägers emittierte erste Strahlung auf das erste Konversionsmaterial. Da ohnehin nur ein gewisser Anteil der ersten Strahlung von dem ersten Konversionsmaterial konvertiert werden soll, kann durch diese geometrische Anordnung die Effizienz des Bauteils erhöht werden.
Bevorzugt ist die Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip in unmittelbarem Kontakt mit dem Träger, insbesondere dem Leiterrahmen des Trägers. Im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften der Leuchtdiode ist dies besonders vorteilhaft, da dann die in dem ersten Konversionsmaterial erzeugte Wärme schnell abgeführt werden kann.
Anders als eben geschildert, kann das erste Konversionsmaterial aber auch die Strahlungsaustrittsfläche und/oder die Seitenflächen des Halbleiterchips teilweise oder vollständig bedecken. In diesem Fall ist das erste Konversionsmaterial bevorzugt in Form einer einfach zusammenhängenden Schicht ausgebildet, die die Strahlungsaustrittsfläche, die Seitenflächen und die Kanten zwischen der Strahlungsaustrittsfläche und den Seitenflächen formschlüssig nachformt. Zum Beispiel ist die Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial in direktem Kontakt zum Halbleiterchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die vom Halbleiterchip emittierte erste Strahlung überwiegend, das heißt zu zumindest 50 % oder zu zumindest 60 % oder zu zumindest 70 % oder zu zumindest 80 % im Spektralbereich zwischen einschließlich 600 nm und 700 nm, bevorzugt im Spektralbereich zwischen einschließlich 630 nm und 690 nm. Das heißt, der in diesem Spektralbereich liegende Anteil der ersten Strahlung macht zumindest 50 % oder zumindest 60 % usw. der Gesamtintensität der ersten Strahlung aus.
Insbesondere weist die erste Strahlung ein Intensitätsmaximum, bevorzugt ein globales Intensitätsmaximum, im Bereich zwischen einschließlich 650 nm und 670 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 655 nm und 665 nm auf. Das heißt, die aktive Schicht des Halbleiterchips emittierte Strahlung im roten Spektralbereich. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich beispielsweise um einen auf InGaAlP basierenden Halbleiterchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die zweite Strahlung überwiegend im Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 800 nm, bevorzugt im Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 760 nm. Die zweite Strahlung weist zum Beispiel ein Intensitätsmaximum, bevorzugt ein globales Intensitätsmaximum, im Bereich zwischen einschließlich 720 nm und 740 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 725 nm und 735 nm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die erste Strahlung überwiegend im Spektralbereich zwischen einschließlich 400 nm und 500 nm, bevorzugt im Spektralbereich zwischen einschließlich 420 nm und 480 nm. In diesem Fall weist die erste Strahlung zum Beispiel ein Intensitätsmaximum, bevorzugt ein globales Intensitätsmaximum, im Bereich zwischen einschließlich 440 nm und 460 nm, bevorzugt im Bereich zwischen einschließlich 445 nm und 455 nm auf. Die von der aktiven Schicht oder dem Halbleiterchip emittierte erste Strahlung ist dann Strahlung im blauen Spektralbereich. Der Halbleiterchip ist dazu beispielsweise ein GaN-basierter Halbleiterchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konverterelement ein zweites Konversionsmaterial. Das zweite Konversionsmaterial ist dazu eingerichtet, die erste Strahlung überwiegend in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 600 nm und 700 nm, bevorzugt in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 630 nm und 690 nm, zu konvertieren.
Insbesondere umfasst das zweite Konversionsmaterial alle Konverterpartikel des Konverterelements, die überwiegend in den Spektralbereich zwischen einschließlich 600 nm und 700 nm konvertieren. Das zweite Konversionsmaterial ist insbesondere so gewählt, dass die durch das zweite Konversionsmaterial konvertierte Strahlung ein Intensitätsmaximum im Bereich um 660 nm, beispielsweise im Bereich zwischen einschließlich 650 nm und 670 nm, aufweist.
Das zweite Konversionsmaterial kann einen oder mehrere verschiedene Stoffe, insbesondere mehrere verschiedene Partikel oder Moleküle aufweisen. Zum Beispiel weist das zweite Konversionsmaterial ein Erdalkalisiliziumnitrid und/oder ein Erdalkalialuminiumsiliziumnitrid auf oder besteht aus einem solchen. Bei dem Erdalkalimetall handelt es sich zum Beispiel um Barium oder Kalzium oder Strontium. Zum Konvertieren von Licht kann das zweite Konversionsmaterial mit einem seltenen Erden-Ion, wie Eu²⁺, als Aktivator dotiert sein.
Das zweite Konversionsmaterial kann wie das erste Konversionsmaterial in Form einer Schicht vorliegen, wobei die oben angeführten Definitionen für eine Schicht und die angegebenen Schichtdicken auch hier zutreffen können. Zudem kann das zweite Konversionsmaterial auch in eine Matrix, beispielsweise aus den oben genannten Materialien, eingebettet sein.
Das erste Konversionsmaterial und das zweite Konversionsmaterial können durchmischt sein, zum Beispiel innerhalb einer gemeinsamen Matrix aus oben genannten Materialien. Die beiden Konversionsmaterialien sind dann bevorzugt als Partikel oder Moleküle homogen und nichtdeterministisch in dem Matrixmaterial verteilt.
Alternativ können das erste Konversionsmaterial und das zweite Konversionsmaterial aber auch räumlich voneinander getrennt sein, zum Beispiel in zwei separaten Schichten vorliegen. Die beiden Schichten können in direktem Kontakt zueinanderstehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Konversionsmaterial im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip zwischen dem Träger und dem zweiten Konversionsmaterial angeordnet. In diesem Fall ist besonders vorteilhaft, dass die durch das erste Konversionsmaterial konvertierte und in Richtung weg von dem Träger emittierte Strahlung Energien aufweist, die im Allgemeinen nicht ausreichen, um das zweite Konversionsmaterial anzuregen. Die Strahlung kann das zweite Konversionsmaterial also nahezu verlustfrei passieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zweite Konversionsmaterial im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip zwischen dem Träger und dem ersten Konversionsmaterial angeordnet. Zum Beispiel ist das zweite Konversionsmaterial, insbesondere die damit gebildete Schicht, in direktem Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe zu dem Träger oder dem Leiterrahmen. Da bei der Konversion von blauem Licht zu rotem Licht durch das zweite Konversionsmaterial viel Wärme erzeugt wird, ist es vorteilhaft, das zweite Konversionsmaterial nahe dem Träger anzuordnen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Spektrum der Mischstrahlung ein drittes lokales Intensitätsmaximum in einem dritten Spektralbereich auf. Der dritte Spektralbereich ist der Bereich zwischen einschließlich 420 nm und 480 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 440 nm und 460 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 445 nm und 455 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt der im dritten Spektralbereich liegende Anteil der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung zumindest 10 % oder zumindest 15 % des im ersten Spektralbereich liegenden Anteils der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung. Alternativ oder zusätzlich beträgt der im dritten Spektralbereich liegende Anteil der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung höchstens 40 % oder höchstens 30 % oder höchstens 25 % des im ersten Spektralbereich liegenden Anteils der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung.
Ein solcher Anteil von blauer Strahlung im Spektrum hat sich als besonders vorteilhaft für das Pflanzenwachstum erwiesen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Leuchtdiode ein drittes Konversionsmaterial, das die erste Strahlung überwiegend in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 500 nm und 600 nm, also in den grünen Spektralbereich konvertiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Leuchtdiode als Beleuchtungsmittel im Pflanzenanbau oder zur Pflanzenaufzucht verwendet. Insbesondere wird die Leuchtdiode zum Wachstum von Pflanzen verwendet. Die Leuchtdiode kann beispielsweise in einem Gewächshaus verwendet werden.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine hier beschriebene Leuchtdiode für das Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode verwendet. Das heißt, sämtliche in Verbindung mit der Leuchtdiode offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode einen Schritt A), in dem eine Leuchtdiode in einen gepulsten Betriebsmodus angesteuert wird. Dabei wird die Pulsdauer, das heißt die Bestromungsdauer der Leuchtdiode, kürzer gewählt als die Lebensdauer der bei der Konversion angeregten Zustände des Konverterelements. Insbesondere wird die Pulsdauer kürzer gewählt als die Lebensdauer der angeregten Zustände des ersten Konversionsmaterials. Die Lebensdauer der angeregten Zustände beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 50 µs und 50 ms. Die Pulsdauer beträgt beispielsweise höchstens die Hälfte dieser Lebensdauer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode einen Schritt B), in dem die Wiederholungsrate der Pulse, das heißt die Frequenz der Pulse, variiert wird, bis die von der Leuchtdiode emittierte Mischstrahlung das gewünschte Verhältnis zwischen dem im zweiten Spektralbereich liegenden Anteil der Mischstrahlung und dem im ersten Spektralbereich liegenden Anteil der Mischstrahlung aufweist.
Durch die Bestromung des Halbleiterchips wird erste Strahlung erzeugt, die von dem Konverterelement konvertiert wird. Durch Erhöhung der Wiederholungsrate der Bestromung des Halbleiterchips kann erreicht werden, dass das Konverterelement einen Sättigungszustand einnimmt, indem keine weiteren Zustände mehr angeregt werden. Wird die Wiederholungsrate weiter erhöht, so wird die zusätzlich erzeugte erste Strahlung nicht mehr von dem Konverterelement, insbesondere nicht mehr von dem ersten Konversionsmaterial absorbiert, sondern lediglich transmittiert. Insofern kann gesteuert werden, welcher Anteil der Strahlung letztendlich konvertiert wird.
Ein Beispiel für den Betrieb der Leuchtdiode ist Folgendes: Als Halbleiterchip wird ein InGaAlP-Halbleiterchip verwendet, der erste Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 585 nm bis 730 nm emittiert, bevorzugt mit einem Intensitätsmaximum bei zirka 660 nm. Das Konverterelement umfasst zum Beispiel ein erstes Konversionsmaterial mit Konvertermolekülen, bei denen die Lumineszenz-Lebensdauer der lichtemittierenden Zustände im Bereich zwischen einschließlich 100 ns bis 100 ms, bevorzugt im Bereich zwischen einschließlich 50 µs und 50 ms liegt. Durch die lange Lebensdauer des angeregten Lumineszenz-Zustandes befindet sich im Betrieb immer ein Teil der Konvertermoleküle im angeregten Zustand. Auf dieser Basis kann die Transmissivität des Konverterelements eingestellt werden. Der Halbleiterchip kann beispielsweise in einem gepulsten Betriebsmodus mit einer Bestromungs-Pulsdauer zwischen einschließlich 1 µs und 50 µs betrieben werden. Während eines Pulses verbleiben die angeregten Konvertermoleküle überwiegend im angeregten Zustand und gehen größtenteils erst nach dem Bestromungs-Puls in den Grundzustand über. Wird nun die Wiederholungsrate der Bestromung erhöht, so kann ein Sättigungszustand erreicht werden, indem nahezu alle Konvertermoleküle angeregt sind. Auf diese Weise kann das Verhältnis zwischen der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung in der Mischstrahlung eingestellt werden und optimal an die unterschiedlichen Pflanzen, Vegetationsperioden und/oder Wachstumsphasen angepasst werden.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung einer hier beschriebenen Leuchtdiode. Das heißt, sämtliche in Verbindung mit der Leuchtdiode offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode einen Schritt A), in dem ein im Betrieb erste Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittierender Halbleiterchip auf einem Träger aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt B), in dem ein erstes Konversionsmaterial auf den Träger nur im Bereich neben dem Halbleiterchip aufgebracht wird. Eine Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips wird bevorzugt nicht von dem ersten Konversionsmaterial bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt C), in dem ein strahlungsdurchlässiger Verguss, beispielsweise aus Klarsilikon oder Epoxid, auf den Halbleiterchip und das erste Konversionsmaterial aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode wird nach dem Schritt B) ein zweites Konversionsmaterial auf den Halbleiterchip und auf das erste Konversionsmaterial aufgebracht. Bei dem Verfahren werden das erste Konversionsmaterial und/oder das zweite Konversionsmaterial bevorzugt in Form einer Schicht ausgebildet. Dazu können die Konversionsmaterialien zum Beispiel in einem flüssigen oder zähflüssigen Matrixmaterial, zum Beispiel in einem der oben angegebenen Matrixmaterialien, verteilt sein und zusammen mit diesem Matrixmaterial aufgebracht werden. Durch Sedimentation können sich dann die Konversionsmaterialien auf und/oder neben dem Halbleiterchip ablagern und dort jeweils eine Schicht bilden.
Nachfolgend werden eine hier beschriebene Leuchtdiode und ein hier beschriebenes Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1A bis 1C verschiedene Positionen in einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode,
2A bis 2D verschiedene Positionen in einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode,
3A bis 3C verschiedene Positionen in einem dritten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode,
4A bis 4E verschiedene Positionen in einem vierten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode,
5A und 5B Spektren der von verschiedenen Ausführungsbeispielen einer Leuchtdiode emittierten Mischstrahlung.

In der 1A ist eine erste Position eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode dargestellt. Im Bereich einer Kavität eines Trägers 4 und auf einen im Wesentlichen planaren oder ebenen Montagebereich 40 des Trägers 4 ist ein Halbleiterchip 1 angeordnet. Bei dem Halbleiterchip 1 handelt es sich zum Beispiel um einen InGaAlP-Volumenemitter. Ebenso ist aber ein InGaAlP-Dünnfilm-Halbleiterchip denkbar.
Der Träger 4 umfasst einen Leiterrahmen 41 und einen Gehäusekörper 42. Der Leiterrahmen 41 ist zum Beispiel aus Gold oder Kupfer gebildet. Der Leiterrahmen 41 umfasst zwei Kontaktbereiche, die miteinander über den Gehäusekörper 42 mechanisch verbunden und durch den Gehäusekörper 42 elektrisch voneinander isoliert sind. Der Gehäusekörper 42 besteht beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Plastik. Der Gehäusekörper 42 bildet einen Damm, der den Montagebereich 40 des Trägers 4 beziehungsweise den Halbleiterchip 1 lateral, das heißt entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Trägers 4 umgibt.
Der Halbleiterchip 1 ist elektrisch leitend mit den zwei Kontaktbereichen des Leiterrahmens 41 verbunden. Die laterale Ausdehnung des Trägers 4 ist beispielsweise zumindest zweimal und höchstens zehnmal so groß wie die laterale Ausdehnung des Halbleiterchips 1.
In der in 1B dargestellten zweiten Position des Verfahrens ist der Halbleiterchip 1 mit einer Vergussmasse 26, 21 vergossen. Der Damm aus dem Gehäusekörper 42 wirkt dabei als Barriere und verhindert ein seitliches Ausfließen der Vergussmasse 26, 21. Die Vergussmasse 26, 21 umfasst ein Matrixmaterial 26, beispielsweise Epoxid oder Silikon, in das ein erstes Konversionsmaterial 21 in Form von Konverterpartikeln 21 eingebracht ist. Bei den Konverterpartikeln 21 handelt es sich beispielsweise um organische oder metallorganische Moleküle, wie Coumarine oder Rhodamine. Das erste Konversionsmaterial 21 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine erste Strahlung aus dem Halbleiterchip 1 überwiegend in eine zweite Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 800 nm zu konvertieren.
Die 1C zeigt eine weitere Position in dem Verfahren, bei dem die Leuchtdiode 100 fertig gestellt ist. Durch Sedimentation haben sich die Konverterpartikel 21 auf dem Halbleiterchip 1 und den restlichen Stellen des Montagebereichs 40 des Trägers 4 abgelagert und eine Schicht gebildet. Diese Schicht stellt ein Konverterelement 2 für den Halbleiterchip 1 dar. Die Schichtdicke des Konverterelements 2 beträgt beispielsweise zirka 10 µm. Ein Teil des Matrixmaterials 21, aus dem die Konverterpartikel 21 abgewandert sind, bildeten einen strahlungsdurchlässigen, insbesondere transparenten Verguss 5, der sowohl das Konverterelement 2 als auch den Halbleiterchip 1 überdeckt.
Im vorliegenden Fall überdeckt das Konverterelement 2 sowohl eine Strahlungsaustrittsfläche, also die dem Träger 4 abgewandte Hauptseite des Halbleiterchips 1, als auch Bereiche des Trägers 4 lateral neben dem Halbleiterchip 1. Im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1 ist das Konverterelement 2 in direktem Kontakt mit dem Träger 4, insbesondere mit dem Leiterrahmen 41.
Emittiert der Halbleiterchip 1 die erste Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs, so durchkreuzt diese erste Strahlung zwangsläufig das Konverterelement 2 und wird daher teilweise in die zweite Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertiert. Ein Teil der nichtkonvertierten ersten Strahlung, die das Konverterelement 2 verlässt und in den strahlungsdurchlässigen Verguss 5 eintritt, wird an der dem Träger 4 beziehungsweise dem Halbleiterchip 1 abgewandten Außenseite des Vergusses 5 reflektiert und kann erneut auf das Konverterelement 2, beispielsweise im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1, treffen, wo wiederum ein Teil konvertiert wird. Durch den direkten Kontakt zum Träger 4 kann hier eine besonders effiziente Kühlung des Konverterelements 2 stattfinden.
In den 2A bis 2D sind verschiedene Positionen in einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode gezeigt.
Die in der 2A dargestellte Position entspricht der Position der 1A.
In der Position der 2B ist wie in der 1B eine Vergussmasse 26, 21 auf dem Träger 4 im Montagebereich 40 aufgebracht. Im vorliegenden Fall ist die Vergussmasse 26, 21 aber nur im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1 auf den Montagebereich 40 des Trägers 4 aufgebracht, sodass die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 nicht von der Vergussmasse 26, 21 bedeckt ist.
In der in 2C dargestellten Position ist die Leuchtdiode 100 zum Beispiel fertiggestellt. Es kann sich bei der 2C aber auch nur um einen Zwischenschritt vor der Fertigstellung der Leuchtdiode handeln. Nach einer gewissen Zeit hat sich das erste Konversionsmaterial 21 durch Sedimentation im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1 auf dem Träger 4 abgelagert und dort eine Schicht ausgebildet, die ein Konverterelement 2 darstellt. Die erste Strahlung, die im Betrieb der Leuchtdiode 100 aus der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 austritt, kann die Leuchtdiode 100 ungehindert verlassen. Die erste Strahlung, die den Halbleiterchip 1 über Seitenflächen in Richtung des Trägers 4 verlässt, trifft dagegen auf das Konverterelement 2 und wird teilweise in die zweite Strahlung konvertiert. Diese wiederum kann dann in Richtung weg vom Träger 4 aus der Leuchtdiode 100 ausgekoppelt werden. Zusammen emittiert die Leuchtdiode 100 dann Mischstrahlung aus der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung.
Damit die Konversionseffizienz beziehungsweise das Verhältnis zwischen zweiter Strahlung und erster Strahlung dem der Leuchtdiode 100 der 1C entspricht, ist die Schichtdicke des Konverterelements 2 bevorzugt größer gewählt, beispielsweise zirka 20 µm.
In der 2D ist eine Leuchtdiode 100 dargestellt, die aus der Leuchtdiode 100 der 2C nach einem weiteren Verfahrensschritt resultiert. Der weitere Verfahrensschritt besteht darin, den Halbleiterchip 1, insbesondere die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1, mit einem zusätzlichen strahlungsdurchlässigen, insbesondere transparenten Verguss 5 abzudecken. Dadurch wird ein Teil der über die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 austretenden ersten Strahlung an der dem Halbleiterchip 1 abgewandten Außenseite des Vergusses 5 in Richtung Träger 4 reflektiert und dort teilweise durch das Konverterelement 2 in die zweite Strahlung konvertiert. Die Konversionseffizienz der Leuchtdiode 100 der 2D ist also prinzipiell größer als bei der Leuchtdiode 100 der 2C, weshalb beispielsweise die Schichtdicke des Konverterelements 2 geringer gewählt werden kann.
In der 5A ist ein Ausführungsbeispiel eines Spektrums der von den Leuchtdioden 100 der 1 und 2 emittierten Mischstrahlung gezeigt. Gezeigt ist die Intensitätsverteilung der Mischstrahlung als Funktion der Wellenlänge. Das Spektrum weist zwei lokale Intensitätsmaxima auf, wobei das erste Intensitätsmaximum bei zirka 660 nm und das zweite Intensitätsmaximum bei zirka 730 nm liegt. Die Intensitätsmaxima sind Spitzen von zwei signifikanten Peaks. Der erste Peak bei 660 nm ist überwiegend durch die erste, unmittelbar von dem Halbleiterchip 1 emittierte Strahlung erzeugt. Der zweite Peak bei 730 nm kommt im Wesentlichen von der durch das Konverterelement 2 konvertierten zweiten Strahlung. Der Anteil der Mischstrahlung um das erste Intensitätsmaximum im ersten Spektralbereich 31 zwischen einschließlich 630 nm und 690 nm ist beispielsweise zirka 5-mal größer als der Anteil der Mischstrahlung um das zweite Intensitätsmaximum im zweiten Spektralbereich 32 zwischen einschließlich 700 nm und 760 nm.
Das gezeigte Spektrum der Mischstrahlung ist insbesondere für die Bestrahlung von Pflanzen in der Aufzucht von Pflanzen vorteilhaft. Durch die gewählten Anteile der Mischstrahlung im Bereich um 660 nm und im Bereich um 730 nm kann eine besonders effiziente Fotosynthese stattfinden.
In den 3A bis 3C sind verschiedene Positionen eines dritten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode dargestellt.
Die in 3A gezeigte Position entspricht im Wesentlichen der Position der 1A. Statt eines InGaAlP-Halbleiterchips ist im vorliegenden Fall aber ein blauemittierender Chip, beispielsweise ein InAlGaN-Halbleiterchip 1, verwendet.
In der Position der 3B ist auf den Montagebereich 40 des Trägers 4 und auf den Halbleiterchip 1 eine Vergussmasse 26, 21, 22 aus einem Matrixmaterial 26 mit einem darin eingebrachten ersten Konversionsmaterial 21 und zweiten Konversionsmaterial 22 aufgebracht. Das erste Konversionsmaterial 21 und das zweite Konversionsmaterial 22 liegen zum Beispiel jeweils in Form von Konverterpartikeln vor. Das erste Konversionsmaterial 21 kann wie in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 gewählt sein. Das zweite Konversionsmaterial 22 ist beispielsweise so gewählt, dass es die aus dem Halbleiterchip 1 austretende erste Strahlung überwiegend in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 600 nm und 700 nm konvertiert.
In der 3C ist eine Position dargestellt, in dem die Leuchtdiode 100 fertig gestellt ist. Die Konverterpartikel der Konversionsmaterialien 21, 22 haben sich durch Sedimentation auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 sowie im Bereich lateral neben den Halbleiterchips 1 auf dem Montagebereich 40 des Trägers 4 abgesetzt und dort eine einfach zusammenhängende Schicht ausgebildet, die ein Konverterelement 2 darstellt. Innerhalb der Schicht sind die Konverterpartikel homogen verteilt. Die Schichtdicke des Konverterelements 2 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 30 µm und 50 µm.
In den 4A bis 4E sind verschiedene Positionen in einem vierten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtdiode gezeigt.
Die Position der 4A entspricht der Position der 3A.
In der Position der 4B ist in die Kavität des Trägers 4 eine Vergussmasse 26, 21 ausschließlich im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1 eingebracht. Die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 ist nicht von der Vergussmasse 26, 21 bedeckt. Die Vergussmasse 26, 21 umfasst ein Matrixmaterial 26 und ein erstes Konversionsmaterial 21, welche beispielsweise wie in den obigen Ausführungsbeispielen gewählt sind.
In der 4C ist eine Position des Verfahrens gezeigt, bei der sich das erste Konversionsmaterial 21 durch Sedimentation in Form einer Schicht von zirka 10 µm Dicke im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1 abgelagert hat. Die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 ist frei von dem ersten Konversionsmaterial 21.
In der 4D ist eine Position des Verfahrens gezeigt, bei der eine weitere Vergussmasse 26, 22 im Bereich der Kavität des Trägers 4 auf den Halbleiterchip 1 aufgebracht ist. Die weitere Vergussmasse 26, 22 umfasst wieder ein Matrixmaterial 26 und ein zweites Konversionsmaterial 22 das zum Beispiel wie im vorherigen Ausführungsbeispiel gewählt ist.
In der 4E ist eine Position des Verfahrens gezeigt, in der die Leuchtdiode 100 fertig gestellt ist. Das zweite Konversionsmaterial 22 hat sich wiederum durch Sedimentation auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 1 und im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1 in Form einer zusammenhängenden Schicht abgelagert. Dadurch ist ein Konverterelement 2 gebildet, was im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip 1 einen zweischichtigen Aufbau und auf dem Halbleiterchip 1 einen einschichtigen Aufbau aufweist. Lateral neben dem Halbleiterchip 1 ist eine Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial 21 zwischen einer Schicht mit dem zweiten Konversionsmaterial 22 und dem Träger 4 angeordnet. Auf dem Halbleiterchip 1 ist lediglich eine Schicht mit dem zweiten Konversionsmaterial 22 angeordnet.
In der 5B ist ein Ausführungsbeispiel eines Spektrums der von den Leuchtdioden 100 der 3 und 4 emittierten Mischstrahlung dargestellt. Das Spektrum weist drei lokale Intensitätsmaxima in Form von Peaks auf. Ein erstes Intensitätsmaximum liegt bei zirka 450 nm und resultiert aus der ersten, von dem Halbleiterchip 1 emittierten Strahlung. Das zweite Intensitätsmaximum liegt bei zirka 660 nm. Dieser Peak resultiert insbesondere aus der Konversion der von dem Halbleiterchip 1 emittierten ersten Strahlung durch das zweite Konversionsmaterial 22. Das dritte Intensitätsmaximum liegt bei zirka 730 nm. Dieser Peak resultiert insbesondere aus der Konversion von Strahlung durch das erste Konversionsmaterial 21.
Der Anteil der Mischstrahlung in dem ersten Spektralbereich 31 ist zirka 5-mal größer als der Anteil der Mischstrahlung im zweiten Spektralbereich 32 und als in dem dritten Spektralbereich 33 zwischen einschließlich 420 nm und 480 nm.
Ein solches Spektrum der Mischstrahlung ist besonders vorteilhaft für die Pflanzenaufzucht, da in diesem Spektrum auch der für die Fotosynthese wichtige Blauanteil enthalten ist.
Die in den 1 bis 4 dargestellten Leuchtdioden 100 weisen jeweils einen Träger mit einer Kavität auf, in welcher der Halbleiterchip 1 angeordnet ist. Diese Kavität ist aufgefüllt mit einem Verguss. Alternativ wäre es aber auch möglich, den Halbleiterchip 1 auf einem ebenen Träger ohne Kavität aufzusetzen, beispielsweise auf einen Keramikträger. Der Halbleiterchip 1 kann dann beispielsweise mit einem formgebenden Spritzgussverfahren (Molden) mit einer Vergussmasse überformt werden, wobei ein Konverterelement 2 dann wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen durch Sedimentation entstehen kann.
Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 ist zudem das Konverterelement 2 stets innerhalb der Kavität des Trägers 4 angeordnet. Alternativ wäre es aber auch denkbar, die Kavität zunächst mit einem strahlungsdurchlässigen, insbesondere klarsichtigen Verguss 5, wie Silikon, aufzufüllen und das Konverterelement 2 dann auf diesen strahlungsdurchlässigen Verguss 4 aufzubringen. Das Konverterelement 2 könnte dann zum Beispiel linsenförmig ausgestaltet werden.
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 diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterchip
2: Konverterelement
4: Träger
5: strahlungsdurchlässiger Verguss
21: erstes Konversionsmaterial
22: zweites Konversionsmaterial
26: Matrixmaterial
31: erster Spektralbereich
32: zweiter Spektralbereich
33: dritter Spektralbereich
40: Montagebereich
41: Leiterrahmen
42: Gehäusekörper
100: Leuchtdiode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Xiang et al. (Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 6128-6185) und in dem Papier „Review of Long-Wavelength Optical and NIR Imaging Materials: Contrast Agents, Fluorophores, and Multifunctional Nano Carriers“ [0031]
Vikram Pansare et al. (Chem. Mater., 2012, 24(5), pp 812-827) angegeben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird [0031]
Wei Liu et al. (J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (29), pp 9400-9408) [0033]

Claims

Leuchtdiode (100), aufweisend: - einen optoelektronischen Halbleiterchip (1) und ein Konverterelement (2), wobei der Halbleiterchip (1) und das Konverterelement (2) so eingerichtet sind, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb - der Halbleiterchip (1) erste Strahlung eines ersten Spektralbereichs emittiert, - das Konverterelement (2) einen Teil der von dem Halbleiterchip (10) emittierten ersten Strahlung in zweite Strahlung eines zweiten Spektralbereichs konvertiert, - die Leuchtdiode (100) Mischstrahlung aus der nichtkonvertierten ersten Strahlung und der zweiten Strahlung emittiert, - die Mischstrahlung ein Spektrum mit einem ersten und einem zweiten lokalen Intensitätsmaximum aufweist, - das erste Intensitätsmaximum in einem ersten Spektralbereich (31) zwischen einschließlich 630 nm und 690 nm und das zweite Intensitätsmaximum in einem zweiten Spektralbereich (32) zwischen einschließlich 700 nm und 760 nm liegt, - der im zweiten Spektralbereich (32) liegende Anteil der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung zumindest 10 % und höchstens 40 % des im ersten Spektralbereich (31) liegenden Anteils der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung beträgt.
Leuchtdiode (100) nach Anspruch 1, wobei - das erste lokale Intensitätsmaximum in einem Spektralbereich zwischen einschließlich 650 nm und 670 nm und das zweite lokale Intensitätsmaximum in einem Spektralbereich zwischen einschließlich 720 nm und 740 nm liegt, - der im zweiten Spektralbereich (32) liegende Anteil der Mischstrahlung zumindest 15 % und höchstens 25 % des im ersten Spektralbereich (31) liegenden Anteils der Mischstrahlung beträgt.
Leuchtdiode (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei - das Konverterelement (2) ein erstes Konversionsmaterial (21) aufweist oder daraus besteht, - das erste Konversionsmaterial (21) die erste Strahlung (11) überwiegend in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 800 nm konvertiert.
Leuchtdiode nach Anspruch 3, wobei - das erste Konversionsmaterial (21) in Form einer Schicht auf und/oder lateral neben dem Halbleiterchip (1) angeordnet ist, - die Dicke der Schicht mit dem ersten Konversionsmaterial (21) zwischen einschließlich 5 µm und 30 µm beträgt.
Leuchtdiode (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Träger (4), wobei - der Halbleiterchip (1) und das Konverterelement (2) auf dem Träger (4) aufgebracht sind, - der Halbleiterchip (1) und das Konverterelement (2) mit einem strahlungsdurchlässigen Verguss (5) vergossen sind.
Leuchtdiode (100) nach Anspruch 5, wobei der Träger (4) Gold und/oder Kupfer umfasst oder daraus besteht.
Leuchtdiode nach zumindest den Ansprüchen 3 und 5, wobei das erste Konversionsmaterial (21) nur im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip (1) auf dem Träger (4) angeordnet ist.
Leuchtdiode (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Strahlung (11) überwiegend im Spektralbereich zwischen einschließlich 600 nm und 700 nm liegt, - die zweite Strahlung (12) überwiegend im Spektralbereich zwischen einschließlich 700 nm und 800 nm liegt.
Leuchtdiode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei - die erste Strahlung (11) überwiegend im Spektralbereich zwischen einschließlich 400 nm und 500 nm liegt, - das Konverterelement (2) ein zweites Konversionsmaterial (22) umfasst, - das zweite Konversionsmaterial (22) die erste Strahlung überwiegend in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 600 nm und 700 nm konvertiert.
Leuchtdiode (100) nach zumindest den Ansprüchen 4 und 9, wobei - das erste Konversionsmaterial (21) im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip (1) zwischen dem Träger (4) und dem zweiten Konversionsmaterial (22) angeordnet ist.
Leuchtdiode (100) nach zumindest den Ansprüchen 4 und 9, wobei - das zweite Konversionsmaterial (22) im Bereich lateral neben dem Halbleiterchip (1) zwischen dem Träger (4) und dem ersten Konversionsmaterial (21) angeordnet ist.
Leuchtdiode (100) nach mindestens Anspruch 9, wobei - das Spektrum der Mischstrahlung ein drittes lokales Intensitätsmaximum in einem dritten Spektralbereich (33) zwischen einschließlich 420 nm und 480 nm aufweist, - der im dritten Spektralbereich (33) liegende Anteil der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung zumindest 10 % und höchstens 40 % des im ersten Spektralbereich (31) liegenden Anteils der Mischstrahlung an der Gesamtintensität der Mischstrahlung beträgt.
Leuchtdiode (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter umfassend: - ein drittes Konversionsmaterial, das die erste Strahlung überwiegend in Strahlung im Spektralbereich zwischen einschließlich 500 nm und 600 nm konvertiert.
Verwendung einer Leuchtdiode (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Beleuchtungsmittel im Pflanzenanbau.
Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode (100), umfassend die Schritte: A) Ansteuern einer Leuchtdiode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem gepulsten Betriebsmodus, wobei die Pulsdauer kürzer gewählt wird als die Lebensdauer der bei der Konversion angeregten Zustände des Konverterelements (2) ; B) Variation der Wiederholungsrate der Pulse bis die Mischstrahlung das gewünschte Verhältnis zwischen dem im zweiten Spektralbereich (32) liegenden Anteil der Mischstrahlung und dem im ersten Spektralbereich (31) liegenden Anteil der Mischstrahlung aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (100), umfassend die Schritte: A) Anordnen eines im Betrieb erste Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittierenden Halbleiterchips (1) auf einem Träger (4); B) Aufbringen eines ersten Konversionsmaterials (21) auf den Träger (4) nur im Bereich neben dem Halbleiterchip (1); C) Aufbringen eines strahlungsdurchlässigen Vergusses (5) auf den Halbleiterchip (1) und das erste Konversionsmaterial (21).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei nach dem Schritt B) ein zweites Konversionsmaterial (22) auf den Halbleiterchip (1) und auf das erste Konversionsmaterial (21) aufgebracht wird.