DE112020001069B4 - Optoelektronische halbleiterlichtquelle und bragg-spiegel - Google Patents

Optoelektronische halbleiterlichtquelle und bragg-spiegel Download PDF

Info

Publication number
DE112020001069B4
DE112020001069B4 DE112020001069.4T DE112020001069T DE112020001069B4 DE 112020001069 B4 DE112020001069 B4 DE 112020001069B4 DE 112020001069 T DE112020001069 T DE 112020001069T DE 112020001069 B4 DE112020001069 B4 DE 112020001069B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bragg mirror
light source
radiation
optoelectronic semiconductor
semiconductor light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE112020001069.4T
Other languages
English (en)
Other versions
DE112020001069T5 (de
Inventor
Alan Lenef
David Klotzkin
Xin Wen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Research Foundation of State University of New York
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Research Foundation of State University of New York
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH, Research Foundation of State University of New York filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of DE112020001069T5 publication Critical patent/DE112020001069T5/de
Application granted granted Critical
Publication of DE112020001069B4 publication Critical patent/DE112020001069B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/68—Details of reflectors forming part of the light source
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H01L33/60—Reflective elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/22—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors
    • F21V7/24—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by the material
    • F21V7/26—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by the material the material comprising photoluminescent substances
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0816—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers
    • G02B5/0825—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers the reflecting layers comprising dielectric materials only
    • G02B5/0833—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers the reflecting layers comprising dielectric materials only comprising inorganic materials only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G02B5/3066—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state involving the reflection of light at a particular angle of incidence, e.g. Brewster's angle
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • G03B21/204—LED or laser light sources using secondary light emission, e.g. luminescence or fluorescence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/44—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/483—Containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
    • H01L33/502—Wavelength conversion materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0087—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for illuminating phosphorescent or fluorescent materials, e.g. using optical arrangements specifically adapted for guiding or shaping laser beams illuminating these materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/023—Mount members, e.g. sub-mount members
    • H01S5/02325—Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic light-emitting element covered by group H10K50/00
    • H10K59/30—Devices specially adapted for multicolour light emission
    • H10K59/38—Devices specially adapted for multicolour light emission comprising colour filters or colour changing media [CCM]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/507—Wavelength conversion elements the elements being in intimate contact with parts other than the semiconductor body or integrated with parts other than the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0078—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for frequency filtering

Abstract

Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1), umfassend- einen Halbleiterchip (2), der dazu eingerichtet ist, Primärstrahlung (P) zu emittieren,- einen Bragg-Spiegel (4), und- ein Lumineszenzkonversionselement (3), das dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Primärstrahlung (P) in Sekundärstrahlung (S) mit einer längeren Wellenlänge zu konvertieren, wobei- der Bragg-Spiegel (4) zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Lumineszenzkonversionselement (3) angeordnet ist,- der Bragg-Spiegel (4) für die Sekundärstrahlung (S) reflektierend und für die Primärstrahlung (P) durchlässig ist,- der Bragg-Spiegel (4) Reflektorschichten (41, 42, 43, 44) aus mindestens drei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfasst,- der Bragg-Spiegel zumindest zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren (51, 52) umfasst, wobei jede Art von Schichtpaaren (51, 52) aus reflektierenden Schichten (41, 42, 43, 44) aus zwei verschiedenen Materialien besteht, und- die verschiedenen Arten von Schichtpaaren (51, 52) unterschiedliche Brewster-Winkel für p-polarisierte Strahlung aufweisen.

Description

  • Eine wird eine optoelektronische Halbleiterlichtquelle angegeben. Ferner wird ein Bragg-Spiegel für eine optoelektronische Halbleiterlichtquelle angegeben.
  • Ein Aufgabe besteht darin, einen Bragg-Spiegel für eine optoelektronische Halbleiterlichtquelle anzugeben, der die Lichtextraktionseffizienz verbessert.
  • Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine optoelektronische Halbleiterlichtquelle und durch einen Bragg-Spiegel gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterlichtquelle einen Halbleiterchip oder eine Vielzahl von Halbleiterchips. Der zumindest eine Halbleiterchip ist dazu eingerichtet, Primärstrahlung zu emittieren. Bei einer Vielzahl von Halbleiterchips können alle Halbleiterchips Primärstrahlung mit gleichen spektralen Eigenschaften emittieren oder es können beispielsweise Halbleiterchips vorhanden sein, die bei unterschiedlichen Peakwellenlängen emittieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterlichtquelle einen Bragg-Spiegel oder eine Vielzahl von Bragg-Spiegeln. Der zumindest eine Bragg-Spiegel ist aus einer Vielzahl von reflektierenden Schichten aufgebaut. Die Reflektivität des Bragg-Spiegels und damit der reflektierenden Schichten beruht bevorzugt auf Interferenz. So können die reflektierenden Schichten aus strahlungsdurchlässigen, transparenten Materialien bestehen. Der Bragg-Spiegel ist bevorzugt elektrisch isolierend ausgebildet; alternativ kann der Bragg-Spiegel aber auch elektrisch leitend ausgebildet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterlichtquelle ein Lumineszenzkonversionselement oder eine Vielzahl von Lumineszenzkonversionselementen. Das zumindest eine Lumineszenzkonversionselement ist eingerichtet, die Primärstrahlung teilweise oder vollständig in Sekundärstrahlung zu konvertieren. Vorzugsweise weist die Sekundärstrahlung eine größere Wellenlänge auf als die Primärstrahlung. Das Lumineszenzkonversionselement umfasst einen Leuchtstoff oder eine Vielzahl von Leuchtstoffen. Insbesondere ist der Leuchtstoff ein anorganisches Material, insbesondere eine Keramik. Zusätzlich oder alternativ kann der Leuchtstoff aber auch aus einem organischen Material ausgewählt werden. Ferner können Quantenpunkte als Leuchtstoff verwendet werden.
  • Beispielsweise handelt es sich bei dem Leuchtstoff um mindestens eines der folgenden Lumineszenzmaterialien: Eu2+dotierte Nitride wie (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+, Sr(Ca,Sr)Si2Al2N6:Eu2+, (Sr,Ca)AlSiN3*Si2N2O:Eu2+, (Ca,Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+, (Sr,Ca)[LiAl3N4]:Eu2+; Granate aus dem allgemeinen System ((Gd,Lu,Tb,Y)3(Al,Ga,D)5(O,X)12:RE mit X = Halogenid, N oder zweiwertiges Element, D = drei- oder vierwertiges Element und RE = Seltene-Erde-Metall wie Lu3(Al1-xGax)5O12:Ce3+, Y3(Al1-XGax)5PO12:Ce3+; Eu2+-dotierte SiONs wie (Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu2+; SiAlONs beispielsweise aus dem System LixMyLnzSi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n; Nitrido-Orthosilikate wie AE2-x-aRExEuaSiO4-xNx, AE2-x-aRExEuaSi1 yO4-x-2yNx mit RE = Seltene-Erde-Metall und AE = Erdalkalimetall; Orthosilikate wie (Ba,Sr,Ca,Mg)2SiO4:Eu2+; SCAP-Lumineszenzmaterialien wie (Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+; KSF-Lumineszenzmaterialien wie K2SiF6:Mn4+.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Bragg-Spiegel zwischen dem Halbleiterchip und dem Lumineszenzkonversionselement angeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass die Primärstrahlung das Lumineszenzkonversionselement erst nach Durchlaufen des Bragg-Spiegels erreichen kann. Sowohl das Lumineszenzkonversionselement als auch der Halbleiterchip können beabstandet vom Bragg-Spiegel angeordnet sein. Alternativ können das Lumineszenzkonversionselement und/oder der Halbleiterchip den Bragg-Spiegel berühren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Bragg-Spiegel für die Sekundärstrahlung reflektierend und für die Primärstrahlung durchlässig. Der Begriff „reflektierend“ bezieht sich insbesondere auf ein Reflexionsvermögen von zumindest 80% oder 90% oder 95% oder 98%. Der Begriff „durchlässig“ kann sich auf einen Transmissionsgrad von mindestens 80 % oder 90 % oder 95 % oder 98 % beziehen. Die jeweiligen Zahlenwerte können sich auf eine photometrische Gesamtleistung der Primärstrahlung beziehungsweise der Sekundärstrahlung beziehen, die auf den Bragg-Spiegel einfällt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Bragg-Spiegel Reflektorschichten aus mindestens drei verschiedenen Materialien. Die verschiedenen Materialien weisen unterschiedliche Brechungsindizes auf. Das bedeutet, dass der Bragg-Spiegel eine Vielzahl von Reflektorschichten aus einem ersten Material und eine Vielzahl von Reflektorschichten aus einem zweiten Material sowie eine Vielzahl von Reflektorschichten aus einem dritten Material umfasst. Optional können auch Reflektorschichten aus einem vierten Material und eventuell aus einem fünften Material und so weiter vorhanden sein. Bevorzugt sind höchstens acht oder sechs oder vier verschiedene Materialien für die Reflektorschichten vorhanden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Bragg-Spiegel zumindest zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren. Jede Art von Schichtpaar besteht aus reflektierenden Schichten aus zwei verschiedenen Materialien. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein Schichtenpaar erster Art zumindest einen Teil der Reflektorschichten des ersten Materials und zumindest einen Teil der Reflektorschichten des zweiten Materials umfasst, eine Schichtenpaar zweiter Art kann zumindest einen Teil der Reflektorschichten des zweiten Materials oder des vierten Materials und zumindest einen Teil der Reflektorschichten des dritten Materials umfassen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die verschiedenen Arten von Schichtpaaren unterschiedliche Brewster-Winkel für p-polarisierte Strahlung auf, insbesondere für p-polarisierte Sekundärstrahlung. Die Primärstrahlung trifft auf den Bragg-Spiegel entweder in s- oder p-Polarisation, in einer Kombination oder in zufälliger Polarisation auf.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterlichtquelle einen Halbleiterchip, der dazu eingerichtet ist, Primärstrahlung zu emittieren, einen Bragg-Spiegel und ein Lumineszenzkonversionselement, das dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Primärstrahlung in Sekundärstrahlung mit einer längeren Wellenlänge zu konvertieren. Der Bragg-Spiegel ist zwischen dem Halbleiterchip und dem Lumineszenzkonversionselement angeordnet und ist für die Sekundärstrahlung reflektierend und für die Primärstrahlung durchlässig ausgebildet. Der Bragg-Spiegel umfasst Reflektorschichten aus zumindest drei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, so dass zumindest zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren ausgebildet werden, wobei jede Art von Schichtpaaren aus reflektierenden Schichten zweier verschiedener Materialien besteht. Die verschiedenen Arten von Schichtpaaren weisen unterschiedliche Brewster-Winkel für p-polarisierte Strahlung auf.
  • Als intrinsische Eigenschaft weist jede Art von Schichtpaaren aus zwei bestimmten Materialien, wie sie in einem Bragg-Spiegel verwendet werden, einen bestimmten Brewster-Winkel auf. Unter dem Brewster-Winkel ist das Reflexionsvermögen der jeweiligen Art von Schichtpaaren deutlich reduziert und kann für p-polarisiertes Licht nahezu Null betragen. Das bedeutet, dass beim Brewster-Winkel ein vergleichsweise großer Teil der Sekundärstrahlung durch den Bragg-Spiegel entweichen kann.
  • Indem der hier beschriebene Bragg-Spiegel verschiedene Arten von Schichtpaaren mit unterschiedlichen Brewster-Winkeln aufweist, kann dieser Leckage der Sekundärstrahlung reduziert oder sogar eliminiert werden. Dadurch kann die insgesamte Effizienz der optoelektronischen Halbleiterlichtquelle erhöht werden.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform unterscheiden sich die Brewster-Winkel der verschiedenen Arten von Schichtpaaren um mindestens 0,5° oder um mindestens 1° oder um mindestens 1,5° oder um mindestens 2°. Bevorzugt beträgt die Differenz mindestens 2,5°. Wenn es mehr als zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren gibt, kann dies auch paarweise gelten.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform weist beim Brewster-Winkel einer der Arten von Schichtpaaren mindestens eine andere Art von Schichtpaaren oder alle anderen Arten von Schichtpaaren zusammen ein Reflexionsvermögen für die Sekundärstrahlung von mindestens 20 % oder von mindestens 40 % oder von mindestens 60 % oder von mindestens 80 % auf, insbesondere für p-polarisierte Strahlung. Damit kann der Austritt der Sekundärstrahlung unter dem Brewster-Winkel deutlich reduziert bzw. unterdrückt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels bei einem Einfallswinkel von 0° höchstens 2 % im Wellenlängenbereich der Primärstrahlung. Der Begriff „Wellenlängenbereich der Primärstrahlung“ bezieht sich insbesondere auf denjenigen Spektralbereich, in dem eine Intensität der Primärstrahlung zumindest 5 % oder zumindest 2 % einer Peakintensität der Primärstrahlung beträgt.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform beträgt bei einem Einfallswinkel von 0° ein Reflexionsvermögen oder ein mittleres Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels im Wellenlängenbereich der Sekundärstrahlung mindestens 80 % oder mindestens 90 % oder mindestens 95 % oder mindestens 98 %. Der Begriff „Wellenlängenbereich der Sekundärstrahlung“ bezieht sich insbesondere auf denjenigen Spektralbereich, in dem eine Intensität der Sekundärstrahlung zumindest 10 % oder zumindest 5 % einer Peakintensität der Sekundärstrahlung beträgt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Bragg-Spiegel für eine hohe Durchlässigkeit der Primärstrahlung für Einfallswinkel von bis zu mindestens 30° oder von bis zu mindestens 40° oder von bis zu mindestens 50° oder von bis zu mindestens 60° eingerichtet. Insbesondere beträgt in dem jeweiligen Winkelbereich der Transmissionsgrad des Bragg-Spiegels für die Primärstrahlung bei allen Winkeln mindestens 90 % oder mindestens 95 % oder mindestens 98 %. Somit kann selbst Primärstrahlung, die unter relativ großen Winkeln auf den Bragg-Spiegel auftrifft, das Lumineszenzkonversionselement erreichen.
  • Die Blauverschiebung des Durchlassbereichs der Primärwellenlänge des Bragg-Spiegels begrenzt jedoch im Allgemeinen den Winkel der einfallenden Primärstrahlung. In vielen Anwendungen, wie z. B. bei laseraktivierten Leuchtstoffquellen (aus dem Englsichen auch als laser activated remote phsophor, kurz LARP, bekannt), bei denen die Primärstrahlung einen eingeschränkten Winkel aufweisen kann, ist dies wünschenswert, da ein solcher Spiegel das Licht der Primärwellenlänge, das innerhalb des Konverters gestreut wird, zurück in den Konverter reflektiert und so den Verlust an rückgestreutem Primärlicht reduziert.
  • Gemäß zumindest einer Ausfürhungsform ist der Bragg-Spiegel für ein hohes Reflexionsvermögen der Sekundärstrahlung für Einfallswinkel von bis zu mindestens 65° eingerichtet. Insbesondere beträgt in dem jeweiligen Winkelbereich das Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels für die Sekundärstrahlung bei allen Winkeln mindestens 80 % oder mindestens 90 % oder mindestens 95 %. Somit kann selbst Sekundärstrahlung, die unter relativ großen Winkeln auf den Bragg-Spiegel auftrifft, mit einer hohen Effizienz in die gewünschte Richtung reflektiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausfürhungsform umfasst der Bragg-Spiegel genau zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren. Im Falle dieser Ausführungsform umfasst der Bragg-Spiegel bevorzugt genau drei verschiedene Materialien für die reflektierenden Schichten. Mit dieser Konfiguration kann bei kostengünstiger Herstellung eine relativ hohe Effizienz gewährleistet werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausfürhungsform umfasst der Bragg-Spiegel genau drei verschiedene Arten von Schichtpaaren. Insbesondere umfasst der Bragg-Spiegel in diesem Fall genau vier verschiedene Materialien für die reflektierenden Schichten. Mit dieser Konfiguration kann eine sehr hohe Effizienz bei noch vergleichsweise moderaten Herstellungskosten gewährleistet werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausfürhungsform umfasst der Bragg-Spiegel mindestens 3 oder mindestens 4 oder mindestens 5 Schichtpaare. Dies kann für eine oder für einige oder für alle Arten von Schichtpaaren gelten. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Anzahl der Schichtpaare pro Art der Schichtpaare höchstens 40 oder höchstens 30 oder höchstens 20. Bevorzugt liegt die Anzahl der Schichtpaare pro Art von Schichtpaaren zwischen 4 und einschließlich 18. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine kosteneffiziente Fertigung.
  • Eine größere Anzahl von Paaren verbessert jedoch die Gesamtreflexion von Sekundärlicht. Im Falle von LARP-Konfigurationen kann dies auch die Reflektivität von hochwinkligem Primärlicht innerhalb des Konverters verbessern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sekundärstrahlung eine spektrale Breite von zumindest 60 nm oder von zumindest 80 nm oder von zumindest 100 nm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die spektrale Breite höchstens 150 nm oder höchstens 120 nm oder höchstens 100 nm. Die Sekundärstrahlung kann also eine breitbandige Strahlung sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Primärstrahlung eine spektrale Breite von höchstens 40 nm oder von höchstens 30 nm oder von höchstens 15 nm oder von höchstens 5 nm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die spektrale Breite mindestens 1 nm oder mindestens 5 nm. Somit kann die Primärstrahlung eine schmalbandige Strahlung sein.
  • Der Begriff „spektrale Breite“ kann sich auf eine volle Breite bei halbem Maximum, kurz FWHM, beziehen. Er kann sich aber auch auf eine Standardabweichung im Falle von Gaußförmigen Spektren beziehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform variieren die Dicken der reflektierenden Schichten von zumindest einem der Materialien innerhalb einer oder einiger oder jeder Art(en) von Schichtpaaren um mindestens 10 % oder um mindestens 20 % oder um mindestens 30 % einer maximalen Dicke der jeweiligen reflektierenden innerhalb dieser Art von Schichtpaaren. Eine Variation von 20 % bedeutet beispielsweise, dass mindestens eine reflektierende Schicht mit einer Dicke von höchstens 80 % der jeweiligen Maximaldicke vorhanden ist. Dies bedeutet, dass die Dicken der reflektierenden Schichten stark variieren. Diese Variation gilt bevorzugt für alle Arten von reflektierenden Schichten. Indem sie signifikant unterschiedliche Dicken aufweisen, kann ein hohes Reflexionsvermögen über einen großen Winkelbereich erreicht werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die reflektierenden Schcihten jeweils konstante Dicken auf. Somit gibt es keine oder keine signifikanten Dickenunterschiede bei den reflektierenden Schichten. Die reflektierende Schicht kann planar ausgebildet sein, aber auch gekrümmte reflektierende Schichten sind prinzipiell möglich. Die Dicke wird in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptfläche der jeweiligen reflektierenden Schicht gemessen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die verschiedenen Arten von Schichtpaaren blockweise angeordnet. So werden die verschiedenen Arten von Schichtpaaren nicht miteinander vermischt. Es ist möglich, dass die Blöcke direkt aufeinander folgen. Andernfalls könnte zwischen den Blöcken zumindest eine Zwischenschicht, insbesondere höchstens eine Zwischenschicht, liegen.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform weisen mindestens 90 % der reflektierenden Schichten eine Dicke von mindestens 0,20 L/n oder mindestens 0,22 L/n oder mindestens 0,24 L/n auf. Alternativ oder zusätzlich weisen mindestens 90 % der reflektierenden Schichten eine Dicke von höchstens 0,49 L/n oder von höchstens 0,45 L/n oder von höchstens 0,41 L/n auf. Dabei ist n der Brechungsindex, insbesondere bei 300 K, und L ist die Wellenlänge der maximalen Intensität der jeweils zu betrachteten Strahlung, das heißt, die Wellenlänge der maximalen Intensität für die zu transmittierende Primärstrahlung und die Wellenlänge der maximalen Intensität für die zu reflektierende Sekundärstrahlung; andernfalls könnte L eine feste Wellenlänge wie 500 nm sein.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform beträgt die Dicke von mindestens 10 % oder von mindestens 20 % oder von mindestens 40 % oder von mindestens 50 % oder von mindestens 70 % der reflektierenden Schichten mindestens 0,28 L/n.
  • Die in den beiden vorangegangenen Absätzen genannten Dicken können für alle reflektierenden Schichten oder nur für einige Arten von reflektierenden Schichten gelten, das heißt beispielsweise nur für die reflektierenden Schichten des ersten und des zweiten Materials oder nur für die reflektierenden Schichten einiger der Blöcke von Schichtpaaren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterlichtquelle einen lichtdurchlässigen Träger. Der Bragg-Spiegel ist auf dem Träger montiert. Beispielsweise besteht der Träger aus Saphir oder aus einem Glas.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine Halbleiterchip ein Laserdiodenchip. Die Primärstrahlung ist also kohärente Strahlung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Träger zwischen dem Halbleiterchip und dem Bragg-Spiegel. Somit durchläuft die Primärstrahlung den Träger, bevor sie den Bragg-Spiegel erreicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform läuft die Primärstrahlung durch ein Gas oder durch einen evakuierten Bereich, bevor sie den Träger und/oder den Bragg-Spiegel erreicht. Das bedeutet, dass eine Lichtaustrittsfläche des Halbleiterchips dann nicht den Träger und/oder den Bragg-Spiegel berührt. Es ist möglich, dass zwischen dem Halbleiterchip einerseits und dem Träger und/oder dem Bragg-Spiegel andererseits ein optisches Element angeordnet ist. Mittels eines solchen optischen Elements kann die Primärstrahlung auf das Lumineszenzkonversionselement fokussiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Lichtaustrittsfläche des Lumineszenzkonversionselements klein. Beispielsweise beträgt die Größe der Lichtaustrittsfläche höchstens 1 mm2oder 0,1 mm2oder 0,02 mm2. Dadurch kann eine punktförmige Lichtquelle mit hoher Leuchtdichte erreicht werden. Bevorzugt ist die Lichtaustrittsfläche die einzige Fläche, von der die Sekundärstrahlung, optional auch die Primärstrahlung, aus dem Lumineszenzkonversionselement, dem Träger und dem Bragg-Spiegel emittiert wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterlichtquelle ferner einen Klebstoff. Beispielsweise umfasst der Klebstoff ein Polymer wie ein Silikon und/oder ein Glas wie ein sogenanntes Niedertemperaturglas mit einer Erweichungstemperatur von höchstens 350 °C oder besteht daraus. Im Falle eines Polymers, insbesondere eines Silikons, kann der Klebstoff mit einem Füllstoff wie Glaspartikeln oder Metalloxidpartikeln gefüllt sein, um den Brechungsindex, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder eine Wärmeleitfähigkeit einzustellen.
  • Mittels des Klebstoffs kann der Halbleiterchip an dem Bragg-Spiegel oder der Bragg-Spiegel an dem Träger oder das Lumineszenzkonversionselement an dem Träger und/oder dem Bragg-Spiegel befestigt werden. Es ist möglich, dass die Lichtquelle mehr als einen Klebstoff umfasst. Insbesondere ist der Klebstoff ein optischer Klebstoff, das heißt die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung kann/können vor dem Verlassen der Lichtquelle den mindestens einen Klebstoff passieren. Beispielsweise durchläuft die Primärstrahlung den Klebstoff, bevor sie den Bragg-Spiegel erreicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der mindestens eine Halbleiterchip ein lichtemittierender Diodenchip. Die Primärstrahlung ist also inkohärente Strahlung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Klebstoff einen niedrigen Brechungsindex auf, insbesondere von höchstens 1,41 oder von höchstens 1,45 oder von höchstens 1,48 oder von höchstens 1,55. Dies kann bei einer Wellenlänge von 500 nm und bei einer Temperatur von 300 K gelten. Alternativ weist der Klebstoff einen hohen Brechungsindex von zumindest 1,65 oder von zumindest 1,8 auf.
  • Die oben genannten Brechungsindizes können sich auf eine Wellenlänge von 500 nm und auf eine Temperatur von 300 K beziehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Klebstoff dünn. So beträgt eine Dicke des Klebstoffs bevorzugt zumindest 0,2 µm oder zumindest 0,5 µm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke des Klebstoffs höchstens 2 µm oder höchstens 4 µm oder höchstens 10 µm.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Bragg-Spiegel direkt auf der Halbleiterlichtquelle oder dem lumineszierenden Konversionselement durch eine Reihe von in der Technik bekannten Verfahren abgeschieden werden, umfassend physikalische Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern, Atomlagenabscheidung, eine Kombination dieser Verfahren oder andere Techniken zur Abscheidung dünner Schichten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet der Bragg-Spiegel einen Käfig rund um das Lumineszenzkonversionselement mit Ausnahme der Lichtaustrittsseite des Lumineszenzkonversionselements. Insbesondere weist das Lumineszenzkonversionselement die Form eines Prismas auf und der Bragg-Spiegel deckt fünf von sechs Seiten dieses Körpers ab.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Lumineszenzkonversionselement ein Keramikkörper, insbesondere ein Keramikplättchen. Dadurch kann das Lumineszenzkonversionselement eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das Lumineszenzkonversionselement kann eine planparallele Form aufweisen. In der Draufsicht auf die Lichtaustrittsseite gesehen, kann das Lumineszenzkonversionselement rechteckig oder sechseckig oder kreisförmig sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Sekundärstrahlung grünes Licht und/oder gelbes Licht und/oder oranges Licht und/oder rotes Licht. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Primärstrahlung blaues Licht und/oder cyanfarbenes Licht und/oder nah-ultraviolette Strahlung. Unter nah-ultravioletter Strahlung versteht man insbesondere Peakwellenlängen von zumindest 340 nm und maximal 405 nm. Bei Kombination von blauer Primärstrahlung und grüner / gelber / oranger Sekundärstrahlung kann weißes Licht von der Lichtquelle emittiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform bestehen die Reflektorschichten aus Metalloxiden oder Halbleiteroxiden. Es können sowohl binäre als auch ternäre oder quaternäre Oxide verwendet werden. Beispielsweise werden die Materialien der Reflektorschichten aus der folgenden Gruppe ausgewählt: SiO2, Ta2O5, MgF2, ITO, ZnO, CaF2, BaF2, Al2O3, TiO2, ZrO2, Y2O3, HfO2, In2O3, Nb2O5.
  • Außerdem wird ein Bragg-Spiegel für eine optoelektronische Halbleiterlichtquelle angegeben. Bevorzugt ist der Bragg-Spiegel wie der Bragg-Spiegel der optoelektronischen Halbleiterlichtquelle eingerichtet, wie im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Ausführungsformen erläutert. Somit sind Merkmale für den Bragg-Spiegel auch für die optoelektronische Halbleiterlichtquelle offenbart und umgekehrt.
  • In zumindest einer Ausführungsform umfasst der Bragg-Spiegel eine Vielzahl von Reflektorschichten aus zumindest drei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und zumindest zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren, wobei jede Art von Schichtpaaren aus reflektierenden Schichten aus zwei verschiedenen Materialien aufgebaut ist. Der Bragg-Spiegel ist für mindestens eine der folgenden Strahlungen reflektierend: grünes, gelbes, oranges und rotes Licht, und für mindestens eine der folgenden Strahlungen durchlässig: blaues Licht, cyanfarbenes Licht und nah-ultraviolette Strahlung. Die verschiedenen Arten von Schichtpaaren weisen unterschiedliche Brewster-Winkel für p-polarisierte Strahlung auf.
  • Der Bragg-Spiegel und die hier beschriebene optoelektronische Halbleiterlichtquelle werden beispielsweise in Scheinwerfern für Fahrzeuge wie Autos, in Scheinwerfern, in der Bühnenbeleuchtung oder in medizinischen Anwendungen wie Endoskopen oder in Bezug zu aushärtenden Substanzen eingesetzt. Ferner sind auch Anwendungen im Bereich der Spektroskopie möglich.
  • Eine hier beschriebene optoelektronische Halbleiterlichtquelle und ein Bragg-Spiegel werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Elemente, die in den einzelnen Figuren gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen angegeben. Die Größenverhältnisse zwischen den Elementen sind jedoch nicht maßstabsgetreu dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß gezeigt werden.
  • In den Figuren:
    • 1, 3 und 5 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterlichtquellen;
    • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bragg-Spiegels für hier beschriebene optoelektronische Halbleiterlichtquellen;
    • 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterlichtquelle;
    • 6 und 7 zeigen schematische tabellarische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von Bragg-Spiegeln für hier beschriebene optoelektronische Halbleiterlichtquellen;
    • 8 zeigt eine Darstellung eines Reflexionsvermögens von p-polarisierter Strahlung für einen Zwei-Material-Bragg-Spiegel mit dem entsprechenden Brewster-Winkelbereich, der in einer Konfiguration wie in 1 verwendet wird;
    • 9 zeigt eine Darstellung eines Reflexionsvermögens eines Ausführungsbeispiels eines Bragg-Spiegels für hier beschriebene optoelektronische Halbleiterlichtquellen; und
    • 10 zeigt eine Darstellung eines Reflexionsvermögens eines Bragg-Spiegels aus zwei Materialien zum Vergleich mit den Ausführungsbeispielen.
  • Viele Anwendungen der Festkörperbeleuchtung (aus dem Englischen auch als „solid-state lighting“, kuez „SSL“, bekannt) erfordern eine hohe Leuchtdichte und einen hohen Lichtstrom. Die Anwendungen umfassen Projektion, Automobilbeleuchtung, Bühnenbeleuchtung, medizinische und andere Bereiche. Oft erfordern diese Anwendungen eine Leuchtdichte, die die Möglichkeiten von LEDs übersteigt. Der LARP-Ansatz (kurz für „Laser Activated Remote Phosphor“) kann eine viel höhere Leuchtdichte als LEDs erzeugen, und das bei hohen Leistungen. Aufgrund der niedrigen Etendue einer LARP-Quelle können solche Lichtquellen größere Leistungen oder Lichtströme in diese Etendue-limitierten Anwendungen einkoppeln.
  • Ein solches durchstrahlendes LARP-System 1 ist in dem Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt. Hier trifft ein fokussierter Pumpstrahl aus Primärstrahlung P, bevorzugt erzeugt durch einen oder mehrere Halbleiterchips 2, die beispielsweise als blaue Laserdioden realisiert sind, auf ein Lumineszenzkonversionselement 3, das mittels eines Klebstoffs 7 auf einen transparenten Träger 6 geklebt ist. Üblicherweise besteht der Träger 6 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Saphir.
  • Der kleine lumineszierende Bereich, der durch die Laserstrahlung P aus dem Halbleiterchip 2 gepumpt wird, emittiert Sekundärstrahlung S sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung (in Richtung der Quelle). Allerdings wird nur das Licht in Vorwärtsrichtung von einer Optik eines Projektionssystems 8 aufgefangen. Zu beachten ist, dass die Konfiguration in 1 zwar in erster Linie für Laseranregung gedacht ist, dass aber auch fokussiertes Licht von einer LED verwendet werden könnte, wenn auch mit einer größeren Abschwächung des Pumplichts P oder möglicherweise größeren Verlusten durch die Lichtsammelverluste der LED.
  • Wie in 1 gezeigt, wird ein dichroitischer Bragg-Spiegel 4 verwendet, um die rückwärts emittierte Lumineszenz in die gewünschte Vorwärtsrichtung umzulenken. Ohne einen solchen dichroitischen Bragg-Spiegel 4 würde etwa die Hälfte der Lumineszenz der Sekundärstrahlung S zurück in Richtung des Halbleiterchips 2 gehen, was zu einem geringen Umwandlungseffizienz führen würde. Es ist auch vorteilhaft, wenn der Träger 6 keine Sekundärstrahlung S oder selbst gestreutes Pumplicht P aufweist. Andernfalls würde sich das Licht P, S seitlich über den gewünschten kleinflächigen lumineszierenden Bereich hinaus ausbreiten und damit die Etendue erhöhen. Dies würde zu einer Verringerung der gewünschten hohen Leuchtdichte der Emission führen. Der lumineszierende Bereich der Lichtquelle 1 ist auf eine Lichtaustrittsseite 30 des Lumineszenzkonversionselements 3 begrenzt.
  • Das im Lumineszenzkonversionselement 3 erzeugte Licht sollte auch nicht der Bedingung für Totalreflexion (aus dem Englischen auch kurz als „TIR“ bekannt) an der Austrittsseite 30 unterliegen, da das Konvertermaterial in der Regel einen relativ hohen Brechungsindex im Vergleich zum Ausgangsmedium hat, das in der Regel Luft ist. Dieses Extraktionsproblem wird in der Regel durch die Einführung optimierter Volumen- und/oder Oberflächenstreuung entschärft, um TIR-Moden in extrahierbare Ausgangsmoden umzuwandeln.
  • Der dichroitische Bragg-Spiegel 4 ist in der Tat auch ein Teil der Lichtextraktionslösung. Diese TIR-Effekte an den Oberflächen und die zusätzliche Streuung, die für die Lichtextraktion benötigt wird, erzeugen jedoch relativ starke Hohlraumeffekte innerhalb des Lumineszenzkonversionselements 3, die jede kleine Menge an blauer oder konvertierter Lichttransmission durch den dichroitischen Bragg-Spiegel 4 verstärken. Äquivalent dazu „sieht“ der dichroitische Bragg-Spiegel 4 mehrere Strahlenstöße des Lichts innerhalb des Lumineszenzkonversionselements 3, wodurch die Verluste, die durch die nicht-idealen reflektierenden Eigenschaften einer echten dichroiischen Beschichtung entstehen, verstärkt werden.
  • Daher erfordert eine hohe Konversionseffizienz oder Gesamteffizienz des in 1 gezeigten LARP-Systems 1 einen dichroitischen Bragg-Spiegel 4 mit sehr hohem Reflexionsvermögen über den gewünschten Wellenlängenbereich und über alle Einfallswinkel innerhalb des Lumineszenzkonversionselements 3. Gleichzeitig sollte der dichroitische Bragg-Spiegel 4 auch das teilweise kollimierte Pumplicht P mit kürzerer Wellenlänge durchlassen, um die Einkopplung des Pumplichts P in das Lumineszenzkonversionselement 3 zu maximieren.
  • In 2 ist der Bragg-Spiegel 4 im Detail dargestellt. Der Bragg-Spiegel 4 umfasst erste Reflektorschichten 41 aus einem ersten Material, zweite Reflektorschichten 42 aus einem zweiten Material, dritte Reflektorschichten 43 aus einem dritten Material und vierte Reflektorschichten 44 aus einem vierten Material. Die ersten und zweiten Schichten 41, 42 sind zu Schichtpaaren 51 einer ersten Art gruppiert, die dritten und vierten Schichten 43, 44 sind zu Schichtpaaren 52 einer zweiten Art gruppiert.
  • Alle Schichtpaare erster Art 51 sind in einem ersten Block 91, die zweiten Schichtpaare zweiter Art 52 in einem zweiten Block 92 angeordnet. Die Blöcke 91, 92 sind direkt übereinander angeordnet. Alle Schichten 41, 42, 43, 44 haben eine konstante Dicke. Die Dicke der Schichten 41, 42, 43, 44 liegt bei oder etwas über λ/4 wobei λ insbesondere eine Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung S ist.
  • Optional kann der Bragg-Spiegel 4 eine untere Schicht 45 und/oder eine Deckschicht 46 umfassen. Die Schichten 45, 46 können aus dem gleichen oder aus einem anderen Material bestehen als die Schichten 41, 42, 43, 44. Beispielsweise können die Schichten 45, 46 als Schutzschichten oder als Kopplungsschichten dienen. Anders als in 2 gezeigt, kann auch eine Zwischenschicht zwischen den Blöcken 91, 92 vorhanden sein.
  • So folgen in einer Ausführungsform auf mehrere Paare eines Satzes von Bragg-Materialien mehrere Paare eines zweiten Satzes von Bragg-Materialien. In einer anderen Ausführungsform sind die verschiedenen Materialpaare ineinander verschachtelt. Es ist auch möglich, dass verschiedene Schichtpaare abwechselnd nebeneinander liegen.
  • In anderen Konfigurationen der Lichtquelle 1 können auch dichroitische Beschichtungen 4 mit sehr hohem Reflexionsvermögen über einen großen Winkelbereich eingesetzt werden. Ein solches Beispiel ist in 3 gezeigt, wo das Lumineszenzkonversionselement 3 mit einem LED-Chip 2 entweder für weißes Licht (partielle Transmission des kurzwelligen LED-Lichts durch das Lumineszenzkonversionselement 3) oder für eine vollständige Konversion verwendet wird, bei der das LED-Pumplicht P vollständig vom Lumineszenzkonversionselement 3 absorbiert wird. In diesem Fall dient der dichroitische Bragg-Spiegel 4 dazu, die Rückreflexion des längerwelligen konvertierten Lichts S in Richtung der vorwärts emittierenden Richtung zu verstärken. Der Bragg-Spiegel 4 entkoppelt auch das rückwärts gerichtete konvertierte Licht von der LED 2, wodurch die Effizienz des Bauelements 1 weniger empfindlich auf die Struktur des LED-Chips 2 reagiert.
  • Der Bragg-Spiegel 4 kann direkt auf ein Keramikplättchen aufgebracht werden, das das Lumineszenzkonversionselement 3 bildet. Der Klebstoff 7, beispielsweise eine dünne Schicht aus einem Silikonkleber, befindet sich zwischen einer Strahlungshauptseite 20 des Halbleiterchips 2 und dem Bragg-Spiegel 4.
  • Eine Anwendung ist in 4 gezeigt. In diesem Beispiel kann das Lumineszenzkonversionselement 3 ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein, wie beispielsweise eine YAG:Ce-Keramik, die das Pumplicht P von den verbundenen LED-Chips 2 vollständig absorbiert und längerwelliges Licht ausschließlich durch eine Emissionsfläche 30 emittiert. Das Lumineszenzkonversionselement 3 ist beispielsweise ein Quader.
  • Die LED-Chips 2 können, anders als in 4 gezeigt, auf mehr als einer Seitenfläche angeordnet sein. Beispielsweise befindet sich eine Vielzahl von LED-Chips 2 auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen und/oder auf einer Rückfläche und/oder auf einer oberen und unteren Fläche. Die Lichtaustrittsseite 30 kann eine der kleinsten Seitenflächen des Lumineszenzkonversionselements 3 sein. Alle Seiten des Lumineszenzkonversionselements 3 außer der Lichtaustrittsseite 30 sind mit dem Bragg-Spiegel 4 beschichtet. Es ist möglich, dass die jeweiligen Flächen zumindest zu 50 % oder 70 % mit den LED-Chips 2 begedeckt sind.
  • Gemäß 5 verjüngt sich das Lumineszenzkonversionselement 3 in Richtung weg vom Halbleiterchip 2. Das Lumineszenzkonversionselement 3 kann den Halbleiterchip 2 vollständig bedecken. Alle Oberflächen des Lumineszenzkonversionselements 3 sind mit Ausnahme der Lichtaustrittsseite 30 mit dem Bragg-Spiegel 4 beschichtet. Eine solche Ausgestaltung mit einem sich verjüngenden Lumineszenzkonversionselement 3 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden. An der unteren Seite des Lumineszenzkonversionselements 3 kann mehr als ein Halbleiterchip 2 vorhanden sein.
  • Solche Ausgestaltungen, wie sie beispielsweise in den 4 und 5 gezeigt sind, können Licht mit einer niedrigeren Etendue als der kombinierten Etendue der Halbleiterchips 2 emittieren; äquivalent dazu wird die Vorrichtung 1 eine höhere Leuchtdichte erzeugen, als physikalisch von den Halbleiterchips 2 mit Chip-Level-Conversion (CLC) möglich ist, die in einem flachen Array angeordnet sind, in dem die Halbleiterchips nicht optisch miteinander gekoppelt sind. Wie beim LARP-Konverter kann ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine hohe Effizienz insbesondere dann erreicht werden, wenn der gesamte keramische Leuchtstoff 3 auf allen Flächen außer der gewünschten Emissionsfläche 30 mit einem sehr hoch reflektierenden Material, dem Bragg-Spiegel 4, beschichtet ist. Im einen Fall können die Halbleiterchips 2 selbst als Reflektoren dienen, aber auf allen anderen Bereichen des keramischen Leuchtstoffs 3 außer der emittierenden Seite wird ein bedeckendes Dielektrikum 4 benötigt.
  • Alternativ kann der Maskierungsschritt durch Verwendung einer hochreflektierenden dichroitischen Beschichtung 4, die den Durchgang des blauen Pumplichts P ermöglicht, entfallen. Man beachte, dass man im Falle der Verwendung eines Maskierungsschritts auch eine verbesserte metallische Beschichtung für eine Reflexion über einen großen Winkelbereich verwenden könnte; metallische Beschichtungen sind jedoch immer verlustbehaftet und würden daher die Effizienz des Bauelements 1 einschränken.
  • Daher besteht bei SSL ein Bedarf an einer dichroitischen Beschichtung 4, die kurzwelliges Licht P durchlässt und längerwelliges Licht S reflektiert, jeweils mit sehr hoher Transmission beziehungsweise sehr hohem Reflexionsvermögen. Da das Sekundärlicht S inkohärent ist, besteht es zu gleichen Anteilen aus s- und p-polarisierten Wellen. Einzigartig an dieser Beschichtung 4 ist, dass sie idealerweise eine omnidirektionale Reflexion des längerwelligen Lichts S aufweist, während sie für das kurzwellige Licht P zumindest über einen begrenzten Winkelbereich eine sehr hohe Transmission aufweist. Im Falle des LED-Pumpens muss die Transmission für das kurzwellige Licht P ebenfalls omnidirektional sein. Schließlich kann es in einigen SSL-Anwendungen auch wünschenswert sein, sowohl das konvertierte Licht mit längerer Wellenlänge als auch das Pumplicht P mit kürzerer Wellenlänge mit sehr hoher omnidirektionaler Reflektivität zu reflektieren.
  • Das Erreichen einer omnidirektionalen Reflektivität ist insbesondere in Ausgestaltungen wie in den 1 oder 3 gezeigt eine besondere Herausforderung, da sich der Brechungsindex des Trägers 6 in 1 oder des Klebstoffschicht 7 in 3 oft nicht allzu sehr vom Brechungsindex des Leuchtstoffs unterscheidet. Dies impliziert, dass man TIR-Effekte nicht voll ausnutzen kann, um die Hochwinkelreflexion der im Leuchtstoff 3 erzeugten Lumineszenz zu verbessern.
  • Zudem weisen die meisten mehrschichtigen dielektrischen Beschichtungen für p-polarisierte Strahlung ein starkes Brewster-Winkel-Transmissionsfenster auf, das nicht einfach unterdrückt werden kann und daher die erreichbare omnidirektionale Reflektivität der Beschichtung begrenzt. Aufgrund der Hohlraumeffekte innerhalb des Leuchtstoffs 3 begrenzen selbst geringe Reflektivitätsverluste den maximal erreichbaren Wirkungsgrad beziehungsweise die Effizienz dieser Lichtquellen. Mit Hilfe des hier beschriebenen Bragg-Spiegels 4 sind Verbesserungen des omnidirektionalen Reflexionsvermögens des dichroitischen Verhaltens in Anwendungen, wie sie in den 1, 3, 4 und 5 gezeigt sind, möglich, indem mehr als die typischen zwei dielektrischen Beschichtungsmaterialien in speziellen dielektrischen Dünnschicht-Designs verwendet werden, die das Brewster-Transmissionsfenster unterdrücken.
  • Vor der Verfügbarkeit des vorliegenden Bragg-Spiegels 4 wurde das Problem des Einrichtens und Herstellens einer kurzwelligen transmittierenden Schicht und einer längerwelligen reflektierenden Schicht für eine durchstrahlende LARP-Konfiguration, wie in 1 gezeigt, durch die Verwendung eines dielektrischen Zweimaterialstapels auf der Basis von Materialien mit niedrigem und hohem Brechungsindex gelöst. Beispielsweise könnte das Material mit niedrigem Brechungsindex SiO2 und das Material mit hohem Brechungsindex Ta2O5 sein. Oft gibt es Einschränkungen bei den Materialien, insbesondere bei LARP-Anwendungen, wo das Verbindungsmaterial ein Glas sein kann, das ein Hochtemperatur-Verbinden erfordert. Der dichroitische Stapel besteht beispielsweise aus 40-60 Schichten, was einen Kompromiss zwischen hoher omnidirektionaler Reflektivität der konvertierten Wellenlängen und der Vermeidung eines zu hohen thermischen Widerstands zur Minimierung der Leuchtstofftemperaturen darstellt.
  • Adäquate Strukturierungen erfordern globale Optimierungsalgorithmen, um nicht-periodische Strukturen mit entsprechendem Wellenlängendurchlassbereich und höchstmöglichen Reflektivitäten zu erzeugen. Wie dargelegt, weist dieser Ansatz leider Einschränkungen durch das Brewster-Transmissionsfenster auf. 8 zeigt ein typisches simuliertes Reflexionsdiagramm für die dichroitische Schicht/Glasverbindungsschicht in der in 1 eingerichteten durchstrahlenden LARP-Konfiguration. Im spektralen Bereich B befindet sich das Pumplicht P. Hier gilt Kx = sin θph wobei θph der Einfallswinkel auf die kombinierte Klebestoffschicht 7 - dichroitische Schicht 4 für Lichtstrahlen ist, die im Leuchtstoff 3 erzeugt werden.
  • Die Ergebnisse zeigen, wie das Reflexionsvermögen sowohl mit der Wellenlänge als auch mit dem Einfallswinkel vom Leuchtstoff auf den Stapel aus Klebstoff und dichroitische Beschichtung für p-polarisiertes Licht variiert. Der Brewster-Effekt ist im Bereich A recht deutlich und zeigt ein Reflexionsminimum nahe 0 % mit Kx ≈ 0,6 bis 0,7. Der Brewster-Winkel θB ph für den Stapel, wie er vom Leuchtstoff gesehen wird, kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: K x = sin θ p h B = 1 n p h n 1 n 2 n 1 2 + n 2 2
    Figure DE112020001069B4_0001
  • Dabei sind n1 und n2 die Brechungsindizes für die beiden unterschiedlichen dielektrischen Stapelmaterialien. Das Symbol nph bezeichnet den Brechungsindex des Leuchtstoffs 3. Beispielsweise ergibt sich bei 550 nm mit einer YAG-Leuchtstoff-Keramik (nph = 1,84) und dielektrischen Schichtmaterialien aus SiO2 und Ta2O5 (n1 = 1,48 und n2 = 2,20) Kx = 0,67, in Übereinstimmung mit dem simulierten Ergebnis.
  • Außerdem ist für die Ausgestaltung in 1 zu erkennen, dass für nahezu jedes Leuchtstoffmaterial eine TIR-Bedingung zwischen Leuchtstoff und Träger - dichroitischer Grenzfläche im Transmissionsfenster des Brewster-Winkels nicht erreicht werden kann. Dies ist daran zu erkennen, dass der transversale Wellenvektor Kx durch alle Materialien erhalten bleiben muss, umfassend den dielektrischen Stapel, die Klebstoffschicht 7, den Träger 6 und den Leuchtstoff 3. Wenn also Licht im Leuchtstoff 3 unter dem Brewster-Winkel θ® ph einfällt, wird das Licht transmittiert, wenn k® x < ksub ist, oder äquivalent, k x B k 0 = n p h sin θ p h B = 1 n p h n 1 n 2 n 1 2 + n 2 2 < n s u b
    Figure DE112020001069B4_0002
    wobei nsub der Brechungsindex des Trägers ist. Für das betrachtete Beispiel gilt kB x/k0 = 1,23. Daher wird sowohl bei einem Glassubstrat (nsub = 1,51 für Borosilikat) als auch bei einem Saphir-Substrat (nsub = 1,77) die Brewster-Winkel-Lumineszenz vom Leuchtstoff 3 in den Träger transmittiert, und zwar für jede dichroitischen Beschichtung mit zwei Materialien. Bei SSL-Quellen, wie zum Beispiel der LARP-Konfiguration, führt dies zu einem Lichteinschluss innerhalb des Trägers, der den effektiven Emissionsfleck aufspreizt und die Lumineszenz reduziert. Dies ist für Anwendungen wie LARP höchst unerwünscht. Am Brewster-Fenster tritt das Licht aus dem Substrat aus und wird nicht konvertiert oder genutzt.
  • Durch den Einsatz von drei oder mehr Materialien in der dichroitischen Beschichtung 4 kann man zwei unterschiedliche dielektrische Stapel mit unterschiedlichen Brewster-Fenstern, das heißt unterschiedlichen Materialschichtpaaren, aufweisen, so dass kBx/k0 in Gleichung (2) zwei unterschiedliche, sich nicht überlappende Transmissionsfenster aufweist, wodurch das Brewster-Fenster geschlossen ist. Auf diese Weise kann man das gesamte, omnidirektional gemittelte Reflexionsvermögen verbessern. Im Falle von LARP- oder Aperturlampenkonfigurationen wird diese verbesserte Reflexionsvermögen aufgrund von Hohlraumeffekten der teilweise eingefangenen Lumineszenz ferner verstärkt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad beziehungsweise die Effizienz der SSL-Quelle deutlich erhöht wird.
  • Der Vorteil des hier beschriebenen Bragg-Spiegels 4 kann durch die Berechnung des Photonen-zu-Photonen-Umwandlungsfaktors ausgedrückt werden, indem eine konventionelle Ausgestaltung eines Bragg-Stapels mit einem Schichtpaar mit einer Ausgestaltung eines Bragg-Staples mit mehreren Schichtpaaren aus unterschiedlichen Materialien verglichen wird. Dieser Konversionsfaktor ist die Gütefunktion, die von den Algorithmen verwendet wird, die die Details der Beschichtungen berechnen. Es ist eine Zahl zwischen Null und Eins, die den Anteil der Eingangsphotonen beschreibt, die nicht in sekundäres Licht konvertiert werden, das an der Frontfläche 30 ausgekoppelt wird. Beispielsweise bedeutet eine Gütefunktion (metrischer Wert) von 0,2, dass 80 % der Eingangsphotonen in Ausgangsphotonen konvertiert werden, die an der gewünschten Oberfläche in 1 austreten.
  • Die folgende Liste zeigt die Ergebnisse eines Referenz-Designs mit zwei Materialien im Vergleich zu einem Drei-Material-Design mit der gleichen Gesamtzahl an Schichten (das heißt 60 Schichten), das jedoch unter Verwendung beider Materialpaare zur Abdeckung des Brewster-Fensters eingerichtet wurde. Wie man sieht, werden alle Eigenschaften verbessert: die Durchlassband-Transmission (blaues Pumplicht P) ist etwas größer, das Sperrband (dichroitisch) ist etwas größer und die Gesamtwandlungseffizienz wird um ca. 18 % verbessert. Dies ist eine sehr signifikante Verbesserung.
    Referenz dichroitische Beschichtung mit drei Materialien
    Durchlassbereich 1.12% 0.56%
    Sperrbereich 87, 84% 90.47%
    Gütefunktion 0.296 0.243
  • Durch die Verwendung von drei oder mehr Materialien in der dichroitischen Beschichtung 4 können also mehrere dielektrische Paare mit unterschiedlichen Brewster-Winkeln erzeugt werden. Beispielsweise wird ein Stapel aus Ta2O5 (ungefährer Brechungsindex 2,165) und SiO2 (ungefährer Brechungsindex 1,457) einen Brewster-Winkel im Material mit dem niedrigeren Brechungsindex, also SiO2, von 56° aufweisen, unabhängig von der Dicke der Schichten. Die Formel für den Brewster-Winkel, bei dem keine Reflektivität für p-polarisiertes Licht auftritt, für ein beliebiges Materialpaar in Bezug auf deren Brechungsindices ist jedoch gegeben durch tan θ p = n 2 n 1
    Figure DE112020001069B4_0003
    wobei n1 und n2 die Brechungsindizes der beiden Materialien sind, und θp der Brewster-Winkel im einfallenden Medium 1 ist.
  • Beispielsweise beträgt in diesem Fall der Brewster-Winkel für Bragg-Paare aus SiO2/Ta2O5 56° Grad und für MgF2/Ta2O5 57,4°. Ein dichroitischer Filter, der beispielsweise nur aus Bragg-Paaren aus SiO2/Ta2O5 aufgebaut ist, wird, unabhängig von den Details des Designs, ein Brewster-Fenster bei diesem Winkel aufweisen, und p-polarisiertes Licht wird nicht reflektiert. Ein dichroitischer Aufbau mit zwei unterschiedlichen Materialpaaren (SiO2/Ta2O5 und beispielsweise Indium-ZinnOxid (ITO) (Brechungsindex 1,858) und MgF2 (Brechungsindex 1,385)) weist jedoch zwei separate Brewster-Winkel auf: einen bei 56° und den mit ITO/ MgF2 assoziierten bei 53°. Durch Zusammenfügen, wie in 9 gezeigt, weist mindestens eines der beiden Paare bei jedem Winkel ein Reflexionsvermögen ungleich Null auf, so dass nicht mehr alle Photonen bei diesem Winkel verloren gehen. Zu beachten ist, dass die Brewster-Bedingung bei einem Einfallswinkel von etwa 41° für das SiO2/Ta2O5 -Paar auftritt.
  • Damit der Bragg-Spiegel 4 effektiv arbeiten kann, müssen die beiden Brewster-Winkel ausreichend unterschiedlich sein, so dass ein Materialpaar eine Reflektivität am anderen Brewster-Fenster aufweist.
  • Beispielsweise besteht der in 9 gezeigte Filter aus Bragg-Paaren aus SiO2/Ta2O5 (Brewster-Winkel 56°) und Indium-Zinn-Oxid (ITO)/ MgF2 (Brewster-Winkel 53°). Die entsprechenden Diagramme zum Reflexionsvermögen (9: insgesamt vier Materialien, und 10: insgesamt zwei Materialien: MgF2/Ta2O5) zeigen, dass der untere Gesamttransmissionsgrad für den Filter mit einem einzelnen Satz von Bragg-Paaren viel höher ist. Da das Brewster-Fenster für ein Paar durch die Reflektivität des halbdichroitischen Stapels, der durch das andere Paar ausgebildet wird, kompensiert wird, weist die Gesamtstruktur ein wesentlich besseres Gesamtreflexionsvermögen auf. In den 9 und 10 ist der Einfallswinkel für Licht, das von der Leuchtstoffseite einfällt, der Leuchtstoff ist beispielsweise ein Granat wie YAG.
  • Die Herstellung dieser dielektrischen Schichten erfolgt ähnlich wie bei herkömmlichen dichroitischen Beschichtungen durch Sputtern oder thermisches Aufdampfen von sehr präzisen Schichten. Es wird eine größere Vielfalt an Materialien benötigt (zumindest drei verschiedene Materialien, um zwei unterschiedliche Bragg-Stapel auszubilden), aber ansonsten ist die Herstellung identisch mit typischen dichroitischen Filtern.
  • Je weiter die intrinsischen Brewster-Winkel auseinander liegen, desto besser kann die Abdeckung des Brewster-Fensters erreicht werden. Für viele Anwendungen stehen jedoch nicht so viele geeignete optische Beschichtungsmaterialien mit guter Transmission, unterschiedlichem Brechungsindex und der erforderlichen Temperaturbeständigkeit zur Verfügung.
  • Details zu den Schichten von beispielhaften dichroitischen Beschichtungen, die mit verschiedenen Materialien zur Abdeckung des Brewster-Fensters ausgebildet wurden, zeigen die 6 und 7. Diese speziellen Beschichtungen sind so eingerichtet, dass sie bei senkrechten Einfall einen Durchlassbereich im blauen Spektralbereich aufweisen und bei anderen Wellenlängen als blaues Licht und bei anderen Winkeln omnireflektierend sind.
  • Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders angegeben, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge direkt oder indirekt aufeinander. Schichten, die sich in den Figuren nicht berühren, sind bevorzugt voneinander beabstandet. Sind Linien parallel zueinander gezeichnet, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Ebenso sind in den Figuren, soweit nicht anders angegeben, die Positionen der gezeichneten Bauteile zueinander korrekt wiedergegeben.
  • Die hier beschriebene Erfindung wird durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, was insbesondere jede Merkmalskombination aus den Patentansprüchen umfasst, selbst wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 4. März 2019 eingereichten US-Patentanmeldung No. 16/291,679 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    optoelektronische Halbleiterlichtquelle
    2
    Halbleiterchip
    20
    Strahlungshauptseite
    3
    Lumineszenzkonversionselement
    30
    Lichtaustrittsseite
    4
    Bragg-Spiegel
    41
    Reflektoschicht aus einem ersten Material
    42
    Reflektoschicht aus einem zweiten Material
    43
    Reflektoschicht aus einem dritten Material
    44
    Reflektoschicht aus einem vierten Material
    45
    untere Schicht
    46
    Deckschicht
    51
    Schichtpaar erster Art
    52
    Schichtpaar zweiter Art
    53
    Schichtpaar dritter Art
    6
    Träger
    7
    Klebstoff
    8
    optisches Element
    91
    erster Block von Schichtpaaren
    92
    zweiter Block von Schichtpaaren
    93
    dritter Block von Schichtpaaren
    A
    Bereich des Brewster-Winkels
    B
    spektraler Bereich der Primärstrahlung
    Kx
    sin θph, wobei θph der Einfallswinkel in ° ist
    L
    Wellenlänge in nm
    P
    Primärstrahlung
    R
    Reflexionsvermögen
    S
    Sekundärstrahlung
    T
    geometrische Dicke in nm

Claims (18)

  1. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1), umfassend - einen Halbleiterchip (2), der dazu eingerichtet ist, Primärstrahlung (P) zu emittieren, - einen Bragg-Spiegel (4), und - ein Lumineszenzkonversionselement (3), das dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Primärstrahlung (P) in Sekundärstrahlung (S) mit einer längeren Wellenlänge zu konvertieren, wobei - der Bragg-Spiegel (4) zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Lumineszenzkonversionselement (3) angeordnet ist, - der Bragg-Spiegel (4) für die Sekundärstrahlung (S) reflektierend und für die Primärstrahlung (P) durchlässig ist, - der Bragg-Spiegel (4) Reflektorschichten (41, 42, 43, 44) aus mindestens drei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfasst, - der Bragg-Spiegel zumindest zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren (51, 52) umfasst, wobei jede Art von Schichtpaaren (51, 52) aus reflektierenden Schichten (41, 42, 43, 44) aus zwei verschiedenen Materialien besteht, und - die verschiedenen Arten von Schichtpaaren (51, 52) unterschiedliche Brewster-Winkel für p-polarisierte Strahlung aufweisen.
  2. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 1, wobei sich die Brewster-Winkel um mindestens 1° unterscheiden, so dass bei dem Brewster-Winkel einer der Schichtpaaren einer bestimmten Art (51, 52) mindestens eine andere Art von Schichtpaaren (51, 52) ein Reflexionsvermögen (R) von mindestens 50 % für die Sekundärstrahlung (S) aufweist.
  3. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem Einfallswinkel von 0° ein Reflexionsvermögen (R) des Bragg-Spiegels (4) im Wellenlängenbereich der Primärstrahlung (P) höchstens 2 % beträgt, und ein mittleres Reflexionsvermögen (R) des Bragg-Spiegels (4) im Wellenlängenbereich der Sekundärstrahlung (S) mindestens 90 % beträgt.
  4. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bragg-Spiegel (4) für eine hohe Transmission der Primärstrahlung (P) für Einfallswinkel bis zu mindestens 40° eingerichtet ist, und der Bragg-Spiegel (4) für ein hohes Reflexionsvermögen (R) der Sekundärstrahlung (S) für Einfallswinkel bis zu zumindest 65° eingerichtet ist.
  5. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bragg-Spiegel (4) genau zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren (51, 52) und genau drei verschiedene Materialien für die reflektierenden Schichten (41, 42, 43) umfasst.
  6. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Bragg-Spiegel (4) genau drei verschiedene Arten von Schichtpaaren (51, 52) und genau vier verschiedene Materialien für die reflektierenden Schichten (41, 42, 43, 44) umfasst.
  7. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Bragg-Spiegel pro Art von Schichtpaaren (51, 52) zwischen 3 und einschließlich 30 Schichtpaare umfasst, - die Sekundärstrahlung (S) eine spektrale Breite von mindestens 80 nm aufweist, und - die Primärstrahlung (P) eine spektrale Breite von höchstens 30 nm aufweist.
  8. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb jeder spezifischen Art von Schichtpaaren (51, 52) Dicken der reflektierenden Schichten (41, 42, 43, 44) aus einem der Materialien um mindestens 20 % einer maximalen Dicke der jeweiligen reflektierenden Schichten(41, 42, 43, 44) innerhalb dieser Art von Schichtpaaren (51, 52) variieren.
  9. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verschiedenen Arten von Schichtpaaren (51, 52) ausschließlich blockweise angeordnet sind, so dass die verschiedenen Arten von Schichtpaaren (51, 52) nicht miteinander vermischt sind und die Blöcke (91, 92, 93) direkt aufeinander folgen.
  10. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 90 % der reflektierenden Schichten (41, 42, 43, 44) eine Dicke zwischen einschließlich 0,22 L/n und einschließlich 0,45 L/n aufweisen, bei einer Wellenlänge L von 500 nm und wobei n der Brechungsindex der jeweiligen Schicht (41, 42, 43, 44) bei einer Temperatur von 300 K ist, und die Dicke von zumindest 10 % der reflektierenden Schichten zumindest 0,28 L/n beträgt.
  11. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen lichtdurchlässigen Träger (6) umfasst, wobei der Bragg-Spiegel (4) auf dem Träger angebracht ist, wobei - der Halbleiterchip (2) ein Laserdiodenchip ist, - der Träger (6) zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Bragg-Spiegel (4) angeordnet ist, - die Primärstrahlung (P) ein Gas oder einen evakuierten Bereich durchläuft, bevor sie den Träger (6) erreicht, und - die Primärstrahlung (P) den Träger (6) durchläuft, bevor sie den Bragg-Spiegel (4) erreicht.
  12. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner einen Klebstoff (7) umfasst, wobei - der Halbleiterchip (2) ein lichtemittierender Diodenchip ist, und - der Bragg-Spiegel (4) mittels des Klebstoffs (7) an dem Halbleiterchip (2) befestigt ist, so dass die Primärstrahlung (P) den Klebstoff (7) durchläuft, bevor sie den Bragg-Spiegel (7) erreicht.
  13. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 12, wobei - der Klebstoff (7) einen Brechungsindex von höchstens 1,55 aufweist, bei einer Wellenlänge von 500 nm und bei einer Temperatur von 300 K, - der Klebstoff (7) ein Silikon umfasst, und - eine Dicke des Klebstoffs (7) zwischen einschließlich 0,5 µm und einschließlich 10 µm liegt.
  14. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 12, wobei - der Klebstoff (7) einen Brechungsindex von mindestens 1,7 aufweist, bei einer Wellenlänge von 500 nm und bei einer Temperatur von 300 K, - der Klebstoff (7) zumindest ein Glas und/oder zumindest ein Metalloxid umfasst, und - eine Dicke des Klebstoffs (7) zwischen 0,2 µm und 4 µm einschließlich liegt.
  15. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bragg-Spiegel (4) einen Käfig rund um das Lumineszenzkonversionselement (3) bildet, mit Ausnahme einer Lichtaustrittsseite (30) des Lumineszenzkonversionselements (3).
  16. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Lumineszenzkonversionselement (3) ein Keramikplättchen ist, - die Sekundärstrahlung (S) grünes Licht oder gelbes Licht oder oranges Licht oder rotes Licht ist, und - die Primärstrahlung (P) blaues Licht oder cyanfarbenes Licht oder nah-ultraviolette Strahlung ist.
  17. Optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialien der Reflektorschichten (41, 42, 43, 44) ausgewählt sind aus der folgenden Gruppe: SiO2, Ta2O5, MgF2, ITO, ZnO, CaF2, BaF2, Al2O3, TiO2, ZrO2, Y2O3, HfO2, In2O3, Nb2O5.
  18. Bragg-Spiegel (4) für eine optoelektronische Halbleiterlichtquelle (1), umfassend - eine Vielzahl von Reflektoschichten (41, 42, 43, 44) aus zumindest drei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und - mindestens zwei verschiedene Arten von Schichtpaaren (51, 52), wobei jede Art von Schichtpaaren (51, 52) aus reflektierenden Schichten (41, 42, 43, 44) aus zwei verschiedenen Materialien besteht, wobei - der Bragg-Spiegel (4) für mindestens eine der folgenden Strahlungen refkletierend ausbildet ist: grünes Licht, gelbes Licht, oranges Licht, rotes Licht, - der Bragg-Spiegel (4) für mindestens eine der folgenden Strahlungen durchlässig ist: blaues Licht, cyanfarbenes Licht und nah-ultravioletter Strahlung, und - die verschiedenen Arten von Schichtpaaren (51, 52) unterschiedliche Brewster-Winkel für p-polarisierte Strahlung aufweisen.
DE112020001069.4T 2019-03-04 2020-02-28 Optoelektronische halbleiterlichtquelle und bragg-spiegel Active DE112020001069B4 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/291,679 2019-03-04
US16/291,679 US10808893B2 (en) 2019-03-04 2019-03-04 Optoelectronic semiconductor light source and Bragg mirror
PCT/EP2020/055295 WO2020178176A1 (en) 2019-03-04 2020-02-28 Optoelectronic semiconductor light source and bragg mirror

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE112020001069T5 DE112020001069T5 (de) 2021-12-09
DE112020001069B4 true DE112020001069B4 (de) 2022-04-14

Family

ID=69723950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112020001069.4T Active DE112020001069B4 (de) 2019-03-04 2020-02-28 Optoelektronische halbleiterlichtquelle und bragg-spiegel

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10808893B2 (de)
DE (1) DE112020001069B4 (de)
WO (1) WO2020178176A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021112359A1 (de) * 2021-05-12 2022-11-17 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optoelektronische leuchtvorrichtung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015119553A1 (de) 2015-11-12 2017-05-18 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierender Halbleiterchip, optoelektronisches Bauelement mit einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip und Verfahren zur Beschichtung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips
WO2017214464A1 (en) 2016-06-09 2017-12-14 Osram Sylvania Inc. Target assembly with glass-bonded wavelength converter
DE112016003944T5 (de) 2015-08-28 2018-05-24 Osram Gmbh Laseraktiviertes Remote-Phosphor-Ziel und -System
DE102018115041A1 (de) 2017-06-30 2019-01-03 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Lichtemitter und Licht emittierende Vorrichtung

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102265088B (zh) 2008-11-19 2015-02-18 3M创新有限公司 用于照明设备和其他照明系统中的光管理的布鲁斯特角膜
DE102012201192A1 (de) 2012-01-27 2013-08-01 Osram Gmbh Leuchtvorrichtung mit Leuchtstoffrad

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112016003944T5 (de) 2015-08-28 2018-05-24 Osram Gmbh Laseraktiviertes Remote-Phosphor-Ziel und -System
DE102015119553A1 (de) 2015-11-12 2017-05-18 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierender Halbleiterchip, optoelektronisches Bauelement mit einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip und Verfahren zur Beschichtung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips
WO2017214464A1 (en) 2016-06-09 2017-12-14 Osram Sylvania Inc. Target assembly with glass-bonded wavelength converter
DE102018115041A1 (de) 2017-06-30 2019-01-03 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Lichtemitter und Licht emittierende Vorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
US10808893B2 (en) 2020-10-20
US20200284401A1 (en) 2020-09-10
WO2020178176A1 (en) 2020-09-10
DE112020001069T5 (de) 2021-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2149163B9 (de) Lumineszenzdiodenchip mit winkelfilterelement
EP2561386B1 (de) Flächenlichtleiter und flächenstrahler
WO2007036214A1 (de) Strahlungsemittierendes optoelektronisches bauelement
EP2245668B1 (de) Optoelektronisches modul und projektionsvorrichtung mit dem optoelektronischen modul
DE102008011866B4 (de) Lichtquellenanordnung mit einer Halbleiterlichtquelle
EP2067177B1 (de) Optoelektronisches bauelement
EP1887634A2 (de) Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement
DE112013001620T5 (de) Keramische Wellenlängenumsetzungsplatten und Lichtquellen mit denselben
DE102017117603A1 (de) Lichtemittierende Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen der lichtemittierenden Vorrichtung
DE102006046199A1 (de) Optoelektronisches Bauelement
EP1352432A1 (de) Luminszenzdiode und verfahren zu deren herstellung
US9099626B2 (en) Broadband dielectric reflectors for LED
WO2016062500A1 (de) Beleuchtungsvorrichtung mit pumpstrahlungsquelle
DE102016104616A1 (de) Halbleiterlichtquelle
DE112020001069B4 (de) Optoelektronische halbleiterlichtquelle und bragg-spiegel
DE112015000511B4 (de) Keramischer Wellenlängenumwandler mit einem hochreflektierenden Reflektor
DE102011080179A1 (de) Wellenlängenkonversionskörper und Verfahren zu dessen Herstellung
DE112018007862T5 (de) Leuchtstoffelement und Beleuchtungsvorrichtung
DE112018006802B4 (de) Element zum Erzeugen von weißem Licht und Beleuchtungsvorrichtung
DE102016111442A1 (de) Halbleiterlichtquelle
DE112017001296B4 (de) Halbleiterlichtquelle
DE102017220940A1 (de) Konverter für eine Konversionsleuchte mit Wärmeleitschicht
DE112019004254B4 (de) Leuchtstoffelement, verfahren zu dessen herstellung und beleuchtungsvorrichtung
WO2018046499A1 (de) Strahlungsemittierendes bauelement
DE10208170B4 (de) Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer vertikalen Emissionsrichtung und dessen Herstellungsverfahren

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final