DE112015002763B4

DE112015002763B4 - Optoelektronisches Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE112015002763B4
Application number: DE112015002763.7T
Authority: DE
Inventors: Stefan Lange; Vera Stöppelkamp; Frank Jermann; Andreas Biebersdorf; Ralph Wirth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: DE102014108188A1; US10217909B2; WO2015189281A1; CN106537619A; US20170200869A1; CN106537619B; DE112015002763A5

Abstract

Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit- mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung im nahultravioletten oder im sichtbaren Spektralbereich,- mindestens einem Leuchtstoff (3) zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Primärstrahlung in eine langwelligere Sekundärstrahlung, die im sichtbaren Spektralbereich liegt, und- mindestens einem Filterstoff (4) zur teilweisen Absorption der Sekundärstrahlung, wobei- der Leuchtstoff (3) und der Filterstoff (4) innig mit dem Halbleiterchip (2) verbunden sind,- der Filterstoff (4) für die Primärstrahlung strahlungsdurchlässig ist,- der Filterstoff (4) spektral schmalbandig absorbiert im Wellenlängenbereich oberhalb von mindestens 530 nm mit einer spektralen Halbwertbreite von höchstens 20 nm,- der Leuchtstoff (3) und der Filterstoff (4) statistisch miteinander durchmischt vorliegen, sodass keine Phasentrennung zwischen dem Leuchtstoff (3) und dem Filterstoff (4) gegeben ist und der Leuchtstoff (3) und der Filterstoff (4) jeweils homogen verteilt vorliegen, und- durch den Filterstoff (4) ein Farbwiedergabeindex und ein Farbkontrastindex einer von dem Halbleiterbauteil (1) emittierten Mischstrahlung, die aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung besteht, erhöht sind.

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
Die Druckschriften DE 10 2012 211 217 A1 , US 2005 / 0 057 145 A1 , US 8 569 782 B2 , WO 2010/ 116 294 A1 und US 2011 / 0 273 079 A1 beschreiben jeweils optoelektronische Halbleiterbauteile.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das Strahlung mit einem hohen Farbwiedergabeindex und/oder mit einem hohen Farbkontrastindex emittiert.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips. Der mindestens eine optoelektronische Halbleiterchip ist zur Erzeugung einer Primärstrahlung eingerichtet. Bevorzugt liegt die Primärstrahlung im nah-ultravioletten und/oder im sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise im blauen Spektralbereich. Eine Hauptwellenlänge der Primärstrahlung, englisch peak wavelength, liegt insbesondere bei mindestens 340 nm oder 420 nm oder 440 nm und/oder bei höchstens 500 nm oder 485 nm oder 470 nm. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip kann es sich um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil mindestens einen Leuchtstoff oder mindestens eine Leuchtstoffmischung. Der Leuchtstoff oder die Leuchtstoffmischung ist zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Primärstrahlung in eine langwelligere Sekundärstrahlung eingerichtet. Die Sekundärstrahlung liegt vollständig oder teilweise im sichtbaren Spektralbereich. Beispielsweise weist die Sekundärstrahlung einen Ausläufer aus dem sichtbaren Spektralbereich in den nah-infraroten Spektralbereich auf. Im Folgenden werden zur besseren Lesbarkeit die Begriffe Leuchtstoffmischung und Leuchtstoff synonym verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauteil einen oder mehrere Filterstoffe auf. Der mindestens eine Filterstoff ist zu einer teilweisen Absorption der Sekundärstrahlung eingerichtet. Bevorzugt absorbiert der Filterstoff im Bereich der Primärstrahlung nicht oder nur vernachlässigbar. Mit anderen Worten ist der Filterstoff für die Primärstrahlung bevorzugt strahlungsdurchlässig und nicht oder nicht signifikant absorbierend.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Leuchtstoff und der Filterstoff innig mit dem Halbleiterchip verbunden. Dies kann bedeuten, dass sich der Halbleiterchip von dem Leuchtstoff und dem Filterstoff im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiterbauteils nicht löst. Ebenso können der Leuchtstoff und der Filterstoff formschlüssig und unmittelbar an dem Halbleiterchip angebracht sein. Insbesondere liegt zwischen dem Halbleiterchip und dem Leuchtstoff und/oder dem Filterstoff lediglich ein Verbindungsmittel, mit dem der Leuchtstoff und/oder der Filterstoff an dem Halbleiterchip angebracht sind. Weiterhin befindet sich zwischen dem Halbleiterchip und dem Leuchtstoff und/oder dem Filterstoff dann kein evakuierter oder Gas gefüllter Spalt. Mit anderen Worten gibt es zwischen dem Halbleiterchip und dem Leuchtstoff und/oder dem Filterstoff bevorzugt eine durchgehende Materialverbindung aus festen Stoffen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauteil mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip zur Erzeugung einer Primärstrahlung im nah-ultravioletten oder im sichtbaren Spektralbereich. Mindestens ein Leuchtstoff zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Primärstrahlung in eine langwelligere Sekundärstrahlung, die im sichtbaren Spektralbereich liegt, ist dem Halbleiterchip entlang einer Abstrahlrichtung nachgeordnet. Weiterhin weist das optoelektronische Halbleiterbauteil mindestens einen Filterstoff zur teilweisen Absorption der Sekundärstrahlung auf. Der Leuchtstoff und der Filterstoff sind dabei innig mit dem Halbleiterchip verbunden.
Zusätzlich zu einer hohen Effizienz und zu einer hohen Lebensdauer sind bei etwa auf LEDs basierenden optoelektronischen Halbleiterbauteilen auch die Eigenschaften der emittierten Strahlung von Bedeutung. Insbesondere zu Zwecken der Allgemeinbeleuchtung wird ein hoher Farbwiedergabeindex, englisch color rendering index oder kurz CRI, gewünscht. Speziell bei warmweißes Licht emittierenden Halbleiterbauteilen ist in einigen Anwendungen ein Farbwiedergabeindex von mindestens 80 oder mindestens 90 angestrebt.
Zur Erzeugung von warmweißem Licht mittels Leuchtdioden werden üblicherweise Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen eingesetzt, die blaues Licht einer Leuchtdiode zu einem vergleichsweise großen Anteil in langwelliges Licht im orangenen oder orange-roten Spektralbereich umwandeln. Ein typisches Spektrum einer solchen Lichtquelle weist damit ein Intensitätsmaximum bei vergleichsweise großen Wellenlängen auf. Dadurch reduziert sich allerdings ein Überlapp des von dem Halbleiterbauteil emittierten Spektrums mit der Augenempfindlichkeitskurve für Licht. Aufgrund dieses geringen Überlapps kann eine Effizienz des Halbleiterbauteils sinken.
Eine Möglichkeit, insbesondere den Farbwiedergabeindex nachträglich zu erhöhen, besteht darin, dem Halbleiterbauteil ein externes Filterelement nachzuordnen. Durch die selektive Filterung bestimmter spektraler Komponenten sind dann der Farbwiedergabeindex und/oder der Farbkontrastindex steigerbar. Allerdings ist ein solcher nachgeordneter, externer Filter außerhalb des Betriebs des Halbleiterbauteils für einen Betrachter sichtbar. Dieser üblicherweise nicht weiß erscheinende Filter ist in vielen Anwendungen unerwünscht.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterbauteil sind einerseits ein hoher Farbwiedergabeindex und ein hoher Farbkontrastindex erzielbar bei gleichzeitig nicht durch den Filterstoff in ausgeschaltetem Zustand nachteilig beeinflusstem äußerem Erscheinungsbild des Halbleiterbauteils.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen der Leuchtstoff und/oder der Filterstoff als Partikel vor. Eine Größe der Partikel liegt dabei bevorzugt bei mindestens 10 nm oder 100 nm oder 1 µm und/oder bei höchstens 100 µm oder 30 µm oder 10 µm oder 1 µm. Der Leuchtstoff und der Filterstoff können unterschiedliche Partikelgrößen, insbesondere mittlere Partikeldurchmesser, aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Partikel des Leuchtstoffs und/oder die Partikel des Filterstoffs in einem oder in mehreren Matrixmaterialien vor. Der Leuchtstoff und der Filterstoff können also in einem einzigen oder in zwei verschiedenen Matrixmaterialien eingebettet sein. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich bevorzugt um ein Silikon oder ein Silikon-Epoxid-Hybrid-Material. Beispielsweise wird ein Phenyl-Silikon oder ein Methyl-Silikon verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen der Leuchtstoff und der Filterstoff miteinander durchmischt vor. Bevorzugt sind die Partikel des Leuchtstoffs und die Partikel des Filterstoffs statistisch durchmischt, sodass keine oder keine signifikante Phasentrennung zwischen dem Leuchtstoff und dem Filterstoff gegeben ist. Mit anderen Worten liegen der Filterstoff und der Leuchtstoff homogen miteinander durchmischt vor. Alternativ hierzu ist es möglich, dass der Leuchtstoff und der Filterstoff in zwei getrennten Schichten oder weitgehend entmischt vorliegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Filterstoff dazu eingerichtet, aus der Sekundärstrahlung eine Tertiärstrahlung zu erzeugen. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Filterstoff dann auch um ein Leuchtstoffmaterial. Bevorzugt liegt dabei die Tertiärstrahlung im nah-infraroten Spektralbereich. Nahinfrarot bezeichnet dabei insbesondere Wellenlängen von mindestens 780 nm oder 850 nm oder 950 nm und/oder von höchsten 1800 nm oder 1500 nm oder 1350 nm. Durch die Verwendung eines solchen Filterstoffs ist in dem Filterstoff entstehende Wärme aufgrund der Absorption der Sekundärstrahlung minimierbar, da die Energie über nahinfrarote Strahlung effizient von dem Filterstoff abtransportierbar ist. Ist der Filterstoff in ein Matrixmaterial eingebettet, so ist das Matrixmaterial bevorzugt strahlungsdurchlässig für die nicht sichtbare Tertiärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Leuchtstoff und/oder der Filterstoff, die bevorzugt in Form von Partikeln oder auch gelöst vorliegen, in einem Vergusskörper, insbesondere in einem gemeinsamen Vergusskörper. Der Vergusskörper ist beispielsweise direkt an und um den Halbleiterchip herum geformt und kann den Halbleiterchip berühren. Beispielsweise ist der Halbleiterchip vollständig von dem Vergusskörper zusammen mit einem Träger oder einem Gehäuse umschlossen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Leuchtstoff und/oder der Filterstoff, beispielsweise in Form von Partikeln oder gelöst, in einem Plättchen untergebracht. Dieses Plättchen mit dem Leuchtstoff und dem Filterstoff ist direkt oder indirekt auf den Halbleiterchip aufgebracht. Im Falle eines indirekten Aufbringens ist das Plättchen bevorzugt auf den Halbleiterchip aufgeklebt. Alternativ ist es möglich, dass das Plättchen unmittelbar auf dem Halbleiterchip beispielsweise über ein Druckverfahren erzeugt ist oder direkt an dem Halbleiterchip ausgehärtet ist oder unmittelbar mit dem Halbleiterchip verbacken ist. Bei dem Plättchen handelt es sich beispielsweise um ein SilikonPlättchen, dem der Leuchtstoff und der Filterstoff beigegeben sind. Alternativ kann es sich bei dem Plättchen um ein Glasplättchen oder ein Keramikplättchen handeln, in dem der Leuchtstoff und/oder der Filterstoff eingebettet sind oder in dem der Leuchtstoff und/oder der Filterstoff zusammengesintert sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Partikel des Filterstoffs als Streupartikel gestaltet. Der Filterstoff wirkt dann bevorzugt streuend für die Primärstrahlung und für die Sekundärstrahlung. Ein mittlerer Durchmesser der Partikel des Filterstoffs, beispielsweise D₅₀ gemessen in D₀ oder in D₂ oder in D₃, liegt bei mindestens 0,5 µm oder 1,0 µm oder 2,5 µm oder 7,5 µm oder 10 µm und/oder bei höchstens 30 µm oder 25 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauteil dazu eingerichtet, warmweißes Licht zu emittieren. Warmweißes Licht bezeichnet bevorzugt Licht mit einer korrelierten Farbtemperatur gemäß CIE von mindestens 2200 K oder 2400 K oder 2600 K und/oder von höchstens 5000 K oder 4000 K oder 3500 K oder 3100 K oder 2900 K.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Farbort der von dem Halbleiterbauteil erzeugten Strahlung in der CIE-Normfarbtafel bei den Farbkoordinaten x = 0,46 und/oder y = 0,41, bevorzugt mit einer Toleranz von je höchstens 0,03 Einheiten oder 0,02 Einheiten oder 0,01 Einheiten der CIE-Normfarbtafel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der von dem Halbleiterbauteil erzeugten Strahlung um weißes Licht. Insbesondere ist dann ein Farbort der von dem Halbleiterbauteil erzeugten Strahlung in der CIE-Normfarbtafel höchsten 0,03 Einheiten oder 0,02 Einheiten von der Schwarzkörperkurve entfernt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist durch den Filterstoff der Farbwiedergabeindex und/oder der Farbkontrastindex erhöht, im Vergleich zu einem identischen Halbleiterbauteil ohne den Filterstoff. Der Farbwiedergabeindex gemäß CIE ist beispielsweise in der Druckschrift US 5,851,063 A näher spezifiziert, siehe insbesondere die Spalten 2 und 3. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift zum Farbwiedergabeindex wird durch Rückbezug mit aufgenommen. Der Farbwiedergabeindex der von dem Halbleiterbauteil erzeugten Strahlung liegt bevorzugt bei mindestens 80 oder 85 oder 90 oder 93.
Eine Definition des Farbkontrastindexes, englisch Feeling of Contrast Index oder kurz FCI, findet sich beispielsweise in der Druckschrift US 2013/0155647 A1 , siehe speziell die Absätze 29 bis 36. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift zum Farbkontrastindex wird durch Rückbezug mit aufgenommen. Bevorzugt liegt der Farbkontrastindex der von dem Halbleiterbauteil emittierten Strahlung bei mindestens 110 oder 120 oder 130.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht der Filterstoff aus halbleitenden Quantenpunkten oder umfasst solche Quantenpunkte. Beispielsweise sind derartige Quantenpunkte durch Halbleiter-Nanopartikel etwa aus InP, CdSe, CdTe, CdS, CdSe, ZnS oder ZnSe gebildet. Durch einen Durchmesser der Nanopartikel ist ein Absorptionsverhalten solcher Quantenpunkte einstellbar, wobei der Durchmesser bevorzugt bei mindestens 3 nm oder 5 nm und/oder bei höchstens 20 nm oder 12 nm liegt. Alternativ oder zusätzlich ist der Filterstoff durch einen oder mehrere organische Filtermaterialien gebildet oder besteht aus organischen Filtermaterialien.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Filterstoff um ein anorganisches Material. Beispielsweise ist der Filterstoff dann ein Nitrid, ein Oxid, ein Oxinitrid, ein Aluminat, ein Glas oder ein Granat oder umfasst ein Material aus einer oder mehrerer dieser Stoffklassen. Der Filterstoff und der Leuchtstoff oder einer der Leuchtstoffe können auf demselben Materialsystem und/oder Kristallsystem basieren, beispielsweise kann es sich bei dem Filterstoff und dem oder einem der Leuchtstoffe um einen Granat handeln.
Insbesondere handelt es sich bei dem Filterstoff um ein Material, das mit einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe der Seltenen Erden dotiert ist oder das eine oder mehrere Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden umfasst. Bevorzugt umfasst der Filterstoff eines oder mehrere der folgenden Elemente: Er, Ho, Nd, Tm, Pr, Sm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform absorbiert der Filterstoff selektiv und/oder spektral schmalbandig. Mit anderen Worten weist der Filterstoff dann keine signifikante Absorption über den gesamten Spektralbereich der Sekundärstrahlung auf. Insbesondere absorbiert der Filterstoff spektral schmalbandig im Wellenlängenbereich von mindestens 500 nm oder 520 nm oder 530 nm und/oder von höchstens 560 nm oder 550 nm oder 540 nm. Die angegebenen Wellenlängen bezeichnen dabei eine Wellenlänge maximaler Absorption. Spektral schmalbandig kann bedeuten, dass die entsprechende Absorptionsbande des Filterstoffs eine spektrale Halbwertbreite, englisch Full Width at Half Maximum oder kurz FWHM, von höchstens 20 nm oder 15 nm oder 10 nm oder 5 nm aufweist. Als absorbierend werden hierbei insbesondere solche Wellenlängen bezeichnet, bei denen der Filterstoff in dem Halbleiterbauteil eine Absorption von mindestens 5 % oder 2 % oder 1 % oder 0,2 % aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform absorbiert der Filterstoff mindestens 0,5 % oder 1 % oder 2 % der gesamten Sekundärstrahlung. Alternativ oder zusätzlich liegt der Anteil der Sekundärstrahlung, die von dem Filterstoff absorbiert wird, bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Leuchtstoff um eine Mischung aus (Lu, Ce)₃(Al, Ga)₅O₃₂ und (Ca, Sr, Ba)₂Si₅N₈:Eu. Alternativ zu diesen beiden genannten Leuchtstoffen können auch organische und/oder anorganische Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen verwendet werden, insbesondere wie in der Druckschrift EP 2 549 330 A1 angegeben. Hinsichtlich der Leuchtstoffe wird der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift durch Rückbezug mit aufgenommen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Filterstoff um Y₃Al₅O₁₂:Nd. Ein Anteil der Y-Gitterplätze, die durch Nd ersetzt sind, liegt dabei bevorzugt bei mindestens 1 % oder 2 % oder 5 % und/oder bei höchstens 100 % oder 30 % oder 15 %. Im Falle eines Nd-Gehalts von 100 % handelt es sich also um Nd₃Al₅O₁₂.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Masse des Leuchtstoffs und der Masse des Filterstoffs bei mindestens 1 oder 1,2 oder 1,4. Mit anderen Worten übersteigt dann eine Masse des eingesetzten Leuchtstoffs die Masse des eingesetzten Filterstoffs. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 5 oder 3 oder 2 oder 1,5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Leuchtstoff und der Filterstoff in ein gemeinsames Matrixmaterial eingebettet, bevorzugt in Form von jeweils homogen durchmischten Partikeln. Dabei ist der Filterstoff bevorzugt durch (Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂ gebildet, zum Beispiel mit 0,04 ≤ x oder 0,06 ≤ x oder 0,08 ≤ x oder 0,1 ≤ x und/oder mit x ≤ 0,6 oder x ≤ 0,45 oder x ≤ 0,3 oder x ≤ 0,2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Masse-Anteil eines Dotierstoffs des Filterstoffs wie Nd an einer Mischung aus dem Leuchtstoff, dem Filterstoff und dem Matrixmaterial bei mindestens 1 % oder 1,5 % oder 4 %. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Masse-Anteil bei höchstens 10 % oder 6,5 % oder 5 %. Dabei kann es der Fall sein, dass der Masse-Anteil des Filterstoffs, insbesondere von (Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂, an der Mischung aus dem Matrixmaterial, dem Leuchtstoff und dem Filterstoff bei mindestens 20 % oder 40 % und/oder bei höchstens 80 % oder 60 % liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sekundärstrahlung ein absolutes Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge, englisch Peak Wavelength, von mindestens 570 nm oder 590 nm oder 605 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieses Intensitätsmaximum bei höchstens 650 nm oder 630 nm oder 620 nm.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung 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:

1 bis 2 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
3 schematische Schnittdarstellungen eines nicht erfindungsgemäßen Beispiels eines optoelektronischen Halbleiterbauteils
4 Darstellungen von Emissionsspektren von Halbleiterbauteilen,
5 Darstellungen von Emissionsspektren von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
6 Darstellungen des optischen Verhaltens von Y₃Al₅O₁₂:Nd in Abhängigkeit vom Nd-Anteil.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 dargestellt. Das Halbleiterbauteil 1 weist einen optoelektronischen Halbleiterchip 2 auf, beispielsweise einen blaues Licht emittierenden Leuchtdiodenchip. Der Halbleiterchip 2 befindet sich in einer Ausnehmung eines Gehäuses 6 und ist mit elektrischen Kontakten 7 elektrisch leitend verbunden.
Entlang einer Hauptabstrahlrichtung folgt dem Halbleiterchip 2 ein Vergusskörper 51 nach. Der Vergusskörper 51 befindet sich in direktem Kontakt mit dem Halbleiterchip 2 und umgibt den Halbleiterchip 2 formschlüssig. Mit anderen Worten ist der Vergusskörper 51 mit dem Halbleiterchip 2 innig verbunden.
Der Vergusskörper 51 umfasst ein Matrixmaterial 50, das ein Silikon ist, insbesondere ein Methyl-Silikon. Ferner sind in dem Matrixmaterial 50 Partikel eines Leuchtstoffs 3 eingebracht, wobei der Leuchtstoff eine Mischung zweier verschiedener Leuchtstoffmaterialien darstellt. Weiterhin befinden sich in dem Matrixmaterial 50 Partikel eines Filterstoffs 4.
Der Leuchtstoff 3 ist aus einem ersten Leuchtstoffmaterial und einem zweiten Leuchtstoffmaterial zusammengesetzt. Bei dem ersten Leuchtstoffmaterial handelt es sich um einen grünes Licht emittierenden Leuchtstoff der Zusammensetzung (Lu, Ce)₃(AlGa)₅O₃₂ mit einem Ga-Anteil von 25 % und einem Ce-Anteil von 2,5 %. Bezogen auf den gesamten Vergusskörper 51 liegt das erste Leuchtstoffmaterial mit einem Gewichtsanteil von 12,9 % vor.
Das zweite Leuchtstoffmaterial ist durch (Ca, Sr, Ba)₂Si₅N₈:Eu mit 10 % Ca, 40 % Sr und 50 % Ba gebildet, wobei ein Anteil von 3,25 % der Ca, Sr, Ba-Gitterplätze durch Eu ersetzt ist. Ein Gewichtsanteil des zweiten Leuchtstoffmaterials, bezogen auf den gesamten Vergusskörper 51, liegt bei 2,8 %. Beide Leuchtstoffmaterialien liegen bevorzugt als Partikel mit Durchmessern im Bereich um 15 µm vor.
Zu einer Verbesserung des Farbwiedergabeindex des von dem Halbleiterbauteil 1 emittierten Lichts liegt als der Filterstoff 4 weiterhin Y₃Al₅O₁₂:Nd mit einem Nd-Anteil von 8 % vor. Ein Gewichtsanteil des Filterstoffs 4, bezogen auf den gesamten Vergusskörper 51, beträgt 10 %.
Insbesondere warmweißes Licht emittierende Halbleiterbauteile, siehe ein typisches Spektrum in 4, Kurve C, zeigen einen vergleichsweise geringen spektralen Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve, siehe Kurve A in 4. Demgegenüber bei einer kaltweißen Emission, vergleiche Kurve B in 4, ist ein relativ großer spektraler Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve A gegeben. In den 4 und 5 ist hierbei je eine Wellenlänge λ in nm aufgetragen gegen eine Intensität I in willkürlichen Einheiten, kurz a.u.
Um insbesondere eine verbesserte Anpassung des Emissionsspektrums für warmweißes Licht an die Augenempfindlichkeitskurve zu erreichen, ist der Filterstoff 4 beigegeben. Die Wirkung des Filterstoffs 4 ist im Zusammenhang mit 5A zu sehen. Kurve D entspricht einem Halbleiterbauteil ohne dem Filterstoff 4, die Kurve E entspricht dem Halbleiterbauteil 1, wie in Verbindung mit 1 erläutert.
Durch den Filterstoff 4 ist ein Farbwiedergabeindex gemäß 5A von der Kurve D hin zur Kurve E von 80 auf 82 erhöht. Als Farbwiedergabeindex dient hierbei der R_a8-Wert. Durch den Filterstoff ist die CIE-x-Koordinate geringfügig von 0,460 auf 0,461 erhöht, die CIE-y-Koordinate ist unverändert bei 0,410. Die korrelierte Farbtemperatur ist durch den Filterstoff 4 geringfügig von 2687 K auf 2692 K erhöht. Mit anderen Worten zeigt sich ein Effekt durch den Filterstoff 4 im Wesentlichen nur bezüglich des Farbwiedergabeindexes und nicht signifikant auf weitere fotometrische Kenngrößen wie den CIE-Farbort oder die korrelierte Farbtemperatur.
In den 5B und 5C sind Spektren mit einem Farbwiedergabeindex von 83 und einer korrelierten Farbtemperatur von 2700 K gezeigt, siehe jeweils die Kurven D. Bei den Kurven E ist jeweils ein Filterstoff verwendet, analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 1, jedoch in unterschiedlichen Konzentrationen. Die Absorption der Sekundärstrahlung durch den Filterstoff 4 steigt dabei von 5A hin zu 5C an.
Hierdurch ist gemäß 5B ein Farbwiedergabeindex von 88 und gemäß 5C von 95 erzielbar. Der Filterstoff 4 absorbiert dabei nicht oder nur vernachlässigbar im Bereich der Primärstrahlung, die von dem Halbleiterchip 2 direkt erzeugt wird. Es emittiert der Filterstoff 4 zudem Strahlung nicht im sichtbaren Spektralbereich, sondern lediglich bei Wellenlängen oberhalb von 700 nm im nicht sichtbaren, nahinfraroten Spektralbereich.
Der Vergusskörper 51 umhüllt zusammen mit dem Gehäuse 6 den Halbleiterchip 2 vollständig. Es ist möglich, dass der Vergusskörper 51 als Sammellinse oder, anders als gezeichnet, auch als Zerstreulinse geformt ist. Ebenso kann der Vergusskörper 51 eine Ausnehmung im Gehäuse 6 überragen.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1 dargestellt. Auf den Halbleiterchip 2 ist über einen Kleber 8 in inniger Verbindung ein Plättchen 52 aufgebracht, das den Leuchtstoff 3 und den Filterstoff 4 bevorzugt homogen durchmischt enthält. Eine Dicke des Klebers 8 liegt bevorzugt bei mindestens 0,5 µm und/oder bei höchsten 5 µm. Das Plättchen 52 kann ein keramisches Plättchen, ein Glasplättchen oder ein Silikonplättchen sein, das in entsprechenden Konzentrationen den Leuchtstoff 3 sowie den Filterstoff 4 enthält. Das Plättchen 52 kann eine konstante Dicke aufweisen und planparallel geformt sein oder auch optional mit einer Aufrauung zu einer Verbesserung einer Lichtauskopplung versehen sein.
Optional ist der Vergusskörper 51 um den Halbleiterchip 2 sowie um das Plättchen 52 herum vorhanden. Es ist möglich, dass der Vergusskörper 51 zusätzliche Licht streuende Partikel zu einer besseren Strahlungsdurchmischung oder zu einer Anpassung einer räumlichen Abstrahlcharakteristik enthält. Solche zusätzlichen Streupartikel können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein und/oder können zusätzlich in dem Vergusskörper 51 gemäß 1 oder in den Plättchen 52 gemäß 2 enthalten sein.
Beim nicht erfindungsgemäßen Beispiel gemäß 3 ist der Halbleiterchip 2 von einer ersten Schicht mit dem Leuchtstoff 3 und von einer zweiten Schicht mit dem Filterstoff 4 umgeben. Der Leuchtstoff 3 und der Filterstoff 4 liegen also separiert voneinander vor.
Optional ist die Anordnung aus dem Halbleiterchip 2, dem Leuchtstoff 3 sowie dem Filterstoff 4 von dem beispielsweise linsenförmigen Vergusskörper 51 gefolgt. Bei dem Vergusskörper 51 kann es sich um einen Klarverguss handeln, wie auch in Verbindung mit 2 möglich.
In 6 sind die Absorptionseigenschaften von (Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂, das als Filterstoff 4 dienen kann, dargestellt. In den 6A und 6B ist für die x-Werte von 0,01, 0,04, 0,08, 0,12 und 0,16, sowie für 0,15, 0,25, 0,40, 0,55, 0,70, 0,80, 0,90 und 1 das diffuse Reflexionsvermögen R des Filtermaterials in % gegenüber der Wellenlänge λ in nm aufgetragen. (Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂ mit einem der genannten x-Werte kann in allen Ausführungsbeispielen als Filterstoff 4 herangezogen werden.
Mit zunehmendem x, also zunehmendem Nd-Anteil, nimmt das diffuse Reflexionsvermögen R ab und damit die Absorption zu. Dabei wurde zur besseren Lesbarkeit in den Figuren jeweils (Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₂₂ geschrieben als (Y1-xNdx)3Al5O12. Insbesondere im orangen Spektralbereich zeigen sich scharfe Absorptionsbanden dieses Filterstoffs.
In 6C ist die Differenz aus 100 und dem diffusen Reflexionsvermögen R in % aufgetragen gegenüber dem Nd-Anteil x als Maßzahl für die Absorption. Dabei ist das diffuse Reflexionsvermögen R gemittelt über den Spektralbereich von 582 nm bis 586 nm. Mit zunehmendem x steigt auch die Absorption im orangen Spektralbereich kontinuierlich an. Eine dem entsprechende Darstellung des diffusen Reflexionsvermögens R in % gegenüber dem Nd-Anteil x ist als Säulendiagramm in 6D gezeigt.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Halbleiterbauteil
2: optoelektronischer Halbleiterchip
3: Leuchtstoff
4: Filterstoff
51: Vergusskörper
52: Plättchen
6: Gehäuse
7: elektrischer Kontakt
8: Kleber
9: Träger
A bis D: Kurven in den Figuren
I: Intensität in willkürlichen Einheiten (a.u.)
λ: Wellenlänge in nm

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit - mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung im nahultravioletten oder im sichtbaren Spektralbereich, - mindestens einem Leuchtstoff (3) zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Primärstrahlung in eine langwelligere Sekundärstrahlung, die im sichtbaren Spektralbereich liegt, und - mindestens einem Filterstoff (4) zur teilweisen Absorption der Sekundärstrahlung, wobei - der Leuchtstoff (3) und der Filterstoff (4) innig mit dem Halbleiterchip (2) verbunden sind, - der Filterstoff (4) für die Primärstrahlung strahlungsdurchlässig ist, - der Filterstoff (4) spektral schmalbandig absorbiert im Wellenlängenbereich oberhalb von mindestens 530 nm mit einer spektralen Halbwertbreite von höchstens 20 nm, - der Leuchtstoff (3) und der Filterstoff (4) statistisch miteinander durchmischt vorliegen, sodass keine Phasentrennung zwischen dem Leuchtstoff (3) und dem Filterstoff (4) gegeben ist und der Leuchtstoff (3) und der Filterstoff (4) jeweils homogen verteilt vorliegen, und - durch den Filterstoff (4) ein Farbwiedergabeindex und ein Farbkontrastindex einer von dem Halbleiterbauteil (1) emittierten Mischstrahlung, die aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung besteht, erhöht sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - der Filterstoff (4) die Primärstrahlung nicht absorbiert, - der Filterstoff (4) spektral schmalbandig absorbiert im Wellenlängenbereich oberhalb von mindestens 530 nm und von höchstens 550 nm mit einer spektralen Halbwertbreite von höchstens 10 nm, und - der Farbwiedergabeindex der von dem Halbleiterbauteil (1) erzeugten Strahlung bei mindestens 90 und der Farbkontrastindex der von dem Halbleiterbauteil (1) emittierten Strahlung bei mindestens 120 liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff (3) und der Filterstoff (4) als Partikel vorliegen und die Partikel des Leuchtstoffs (3) und des Filterstoffs (4) miteinander durchmischt sind, wobei der Filterstoff (4) dazu eingerichtet ist, aus der Sekundärstrahlung eine Tertiärstrahlung zu erzeugen, die im nahinfraroten Spektralbereich liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Partikel des Leuchtstoffs (3) und des Filterstoffs (4) je in ein Matrixmaterial eingebettet sind, wobei das Matrixmaterial ein Silikon oder ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem die Partikel des Leuchtstoffs (3) und des Filterstoffs (4) in einem Vergusskörper (51), der direkt um den Halbleiterchip (1) herum geformt ist, oder in einem Plättchen (52), das auf den Halbleiterchip (1) aufgeklebt ist, vorliegen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem zumindest die Partikel des Filterstoffs (4) als Streupartikel gestaltet sind und einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 0,5 µm und 30 µm aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das dazu eingerichtet ist, warmweißes Licht mit einer korrelierten Farbtemperatur zwischen einschließlich 2200 K und 5500 K zu erzeugen, wobei ein Farbort der von dem Halbleiterbauteil (1) erzeugten Strahlung in der CIE-Normfarbtafel einen Abstand von höchsten 0,03 Einheiten zur Schwarzkörperkurve aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Partikel des Filterstoffs (4) durch halbleitende Quantenpunkte und/oder durch mindestens ein organisches Filtermaterial gebildet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Filterstoff (4) anorganisch ist und eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst: Er, Ho, Nd, Pm, Pr, Sm.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Filterstoff (4) die Struktur eines Aluminats, eines Glases oder eines Granats aufweist oder einer dieser Stoffklassen angehört.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Filterstoff (4) zwischen einschließlich 0,5 % und 10 % der Sekundärstrahlung absorbiert.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff (3) eine Mischung aus (Lu,Ce)₃(Al,Ga)₅O₁₂ und (Ca,Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu ist, wobei der Filterstoff (4) durch Y₃Al₅O₁₂:Nd gebildet ist, und wobei ein Quotient aus der Masse des Leuchtstoffs (3) und der Masse des Filterstoffs (4) zwischen einschließlich 1,5 und 1 liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Filterstoff (4) durch (Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂ gebildet ist mit 0,06 ≤ x ≤ 0,3, wobei ein Masse-Anteil von Nd an der Mischung aus dem Leuchtstoff (3), dem Filterstoff (4) und dem Matrixmaterial zwischen einschließlich 1,5 % und 6,5 % liegt und der Masse-Anteil von (Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂ zwischen einschließlich 20 % und 80 % liegt, und wobei das Matrixmaterial in direktem Kontakt zu dem Halbleiterchip (2) steht und diesen, in Draufsicht gesehen, vollständig überdeckt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein absolutes Intensitätsmaximum der Sekundärstrahlung zwischen einschließlich 590 nm und 630 nm liegt, wobei ein absolutes Intensitätsmaximum der Primärstrahlung zwischen einschließlich 420 nm und 470 nm liegt.