DE19625622A1 - Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement - Google Patents
Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement mit LumineszenzkonversionselementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Licht abstrahlendes Halb
leiterbauelement mit einem Strahlung aussendenden Halbleiter
körper, mit mindestens einem ersten und einem zweiten mit dem
Halbleiterkörper elektrisch leitend verbundenen elektrischen
Anschluß und mit einem Lumineszenzkonversionselement.
Ein derartiges Halbleiterbauelement ist beispielsweise aus der
Offenlegungsschrift DE 38 04 293 bekannt. Darin ist eine Anord
nung mit einer Elektrolumineszenz- oder Laserdiode beschrieben,
bei der das gesamte von der Diode abgestrahlte Emmissi
onsspektrum mittels eines mit einem fluoreszierenden, lichtwan
delnden organischen Farbstoff versetzten Elements aus Kunst
stoff zu größeren Wellenlängen hin verschoben wird. Das von der
Anordnung abgestrahlte Licht weist dadurch eine andere Farbe
auf als das von der Leuchtdiode ausgesandte. Abhängig von der
Art des dem Kunststoff beigefügten Farbstoffes lassen sich mit
ein und demselben Leuchtdiodentyp Leuchtdiodenanordnungen her
stellen, die in unterschiedlichen Farben leuchten.
In vielen potentiellen Anwendungsgebieten für Leuchtdioden, wie
zum Beispiel bei Anzeigeelementen im Kfz-Armaturenbrett, Be
leuchtung in Flugzeugen und Autos und bei vollfarbtauglichen
LED-Displays, tritt jedoch verstärkt die Forderung nach Leucht
diodenanordnungen auf, mit denen sich mischfarbiges Licht, ins
besondere weißes Licht erzeugen läßt. Bisher läßt sich weißes
"LED"-Licht nur mit sogenannten Multi-LEDs erzeugen, bei denen
drei verschiedenfarbige Leuchtdioden (i.a. eine rote, eine
grüne und eine blaue) oder zwei komplementärfarbige Leuchtdi
oden (z. B. eine blaue und eine gelbe) verwendet werden. Neben
einem erhöhten Montageaufwand sind für solche Multi-LEDs auch
aufwendige Ansteuerelektroniken erforderlich, da die verschie
denen Diodentypen unterschiedliche Ansteuerspannungen benöti
gen. Außerdem wird die Langzeitstabilität hinsichtlich Wellen
länge und Intensistät durch unterschiedliche Alterungserschei
nungen der verschiedenen Leuchtdioden und auch aufgrund der un
terschiedlichen Ansteuerspannungen und den daraus resultierden
den Betriebsströmen beeinträchtigt. Ein zusätzlicher Nachteil
der Multi-LEDs besteht darin, daß die Bauteilminiaturisierung
stark begrenzt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halb
leiterbauelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit
dem mischfarbiges Licht, insbesondere weißes Licht erzeugt wer
den kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement nach Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Ge
genstand der Unteransprüche 2 bis 14. Der Unteranspruch 15 gibt
eine bevorzugte Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements an.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Halbleiterkörper eine
Schichtenfolge, insbesondere eine Schichtenfolge mit einer ak
tiven Schicht aus GaxIn1-xN oder GaxAl1-xN aufweist, die eine
elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ 520 nm aus sen
det und daß das Lumineszenzkonversionselement Strahlung eines
ersten spektralen Teilbereiches der von dem Halbleiterkörper
ausgesandten, aus einem ersten Wellenlängenbereich stammenden
Strahlung in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches um
wandelt, derart, daß das Halbleiterbauelement Strahlung aus
mindestens einem zweiten spektralen Teilbereich des ersten Wel
lenlängenbereiches und Strahlung des zweiten Wellenlängenberei
ches aussendet. Das heißt zum Beispiel, daß das Lumineszenzkon
versionselement eine vom Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung
spektral selektiv absorbiert und im längerwelligen Bereich (im
zweiten Wellenlängenbereich) emittiert. Idealerweise weist die
von dem Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung bei einer Wel
lenlänge λ 520 nm ein Strahlungsmaximum auf.
Ebenso kann vorteilhafterweise mit der Erfindung auch eine An
zahl (einer oder mehrere) von aus dem ersten Wellenlängenbe
reich stammenden ersten spektralen Teilbereichen in mehrere
zweite Wellenlängenbereiche umgewandelt werden. Dadurch ist es
vorteilhafterweise möglich, vielfältige Farbmischungen und
Farbtemperaturen zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat den besonderen
Vorteil, daß das über Lumineszenkonversion erzeugte Wellenlän
genspektrum und damit die Farbe des abgestrahlten Lichtes nicht
von der Höhe der Betriebsstromstärke durch den Halbleiterkörper
abhängt. Dies hat insbesondere dann große Bedeutung, wenn die
Umgebungstemperatur des Halbleiterbauelementes und damit be
kanntermaßen auch die Betriebsstromstärke stark schwankt. Be
sonders Leuchtdioden mit einem Halbleiterkörper auf der Basis
von GaN sind diesbezüglich sehr empfindlich.
Außerdem benötigt das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement nur
eine einzige Ansteuerspannung und damit auch nur eine einzige
Ansteuerschaltungsanordnung, wodurch der Bauteileaufwand sehr
gering gehalten werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist als Lumineszenzkonversionselement über oder auf dem Halb
leiterkörper eine teiltransparente, d. h. eine für die von dem
Strahlung aussendenden Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung
teilweise transparente Lumineszenzkonversionsschicht vorgese
hen. Um eine einheitliche Farbe des abstrahlten Lichtes sicher
zustellen, kann die vorteilhafterweise die Lumineszenzkonversi
onsschicht derart ausgebildet sein, daß sie durchweg eine kon
stante Dicke aufweist. Dies hat den besonderen Vorteil, daß die
Weglänge des von dem Halbleiterkörper abgestrahlten Lichtes
durch die Lumineszenzkonversionsschicht hindurch für alle
Strahlungsrichtungen nahezu konstant ist. Dadurch kann erreicht
werden, daß das Halbleiterbauelement in alle Richtungen Licht
derselben Farbe abstrahlt. Ein weiterer besonderer Vorteil ei
nes erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß dieser Wei
terbildung besteht darin, daß auf einfache Weise eine hohe Re
produzierbarkeit erzielt werden kann, was für eine effiziente
Massenfertigung von wesentlicher Bedeutung ist. Als Lumines
zenzkonversionsschicht kann beispielsweise eine mit Lumines
zenzfarbstoff versetzte Lack- oder Harzschicht vorgesehen sein.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelementes weist als Lumineszenzkonversionselement
eine teiltransparente Lumineszenzkonversionsumhüllung auf, die
zumindest einen Teil des Halbleiterkörpers (und evtl. Teilbe
reiche der elektrischen Anschlüsse) umschließt und gleichzeitig
als Bauteilumhüllung (Gehäuse) genutzt sein kann. Der Vorteil
eines Halbleiterbauelements gemäß dieser Ausführungsform be
steht im wesentlichen darin, daß zu seiner Herstellung konven
tionelle, für die Herstellung von herkömmlichen Leuchtdioden
(z. B. Radial-Leuchtdioden) eingesetzte Produktionslinien ge
nutzt werden können. Für die Bauteilumhüllung ist anstelle des
bei herkömmlichen Leuchtdioden dafür verwendeten transparenten
Kunststoffes das Material der Lumineszenzkonversionsumhüllung
verwendet.
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsge
mäßen Halbleiterbauelements und der beiden oben genannten be
vorzugten Ausführungsformen besteht die Lumineszenzkonversions
schicht bzw. die Lumineszenzkonversionsumhüllung aus einem
transparenten Material (z. B. Kunststoff), das mit einem Lumi
neszenzfarbstoff versehen ist (Beispiele für geeignete Kunst
stoffe und Lumineszenzfarbstoffe finden sich weiter unten). Auf
diese Weise lassen sich Lumineszenzkonversionselemente beson
ders kostengünstig herstellen. Die dazu notwendigen Verfahrens
schritte sind nämlich ohne großen Aufwand in herkömmliche Pro
duktionslinien für Leuchtdioden integrierbar.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
bzw. der o.g. Ausführungsformen ist vorgesehen, daß der oder
die zweiten Wellenlängenbereiche zumindest teilweise größere
Wellenlängen aufweisen als der erste Wellenlängenbereich.
Insbesondere ist vorgesehen, daß ein zweiter spektraler Teilbe
reich des ersten Wellenlängenbereiches und ein zweiter Wellen
längenbereich zueinander komplementär sind. Auf diese Weise
kann aus einer einzigen farbigen Lichtquelle, insbesondere ei
ner Leuchtdiode mit einem einzigen blaues Licht abstrahlenden
Halbleiterkörper, mischfarbiges, insbesondere weißes Licht er
zeugt werden. Um z. B. mit einem blaues Licht aussendenden
Halbleiterkörper weißes Licht zu erzeugen, wird ein Teil des
von dem Halbleiterkörper ausgesandten Spektralbereiches in den
gelben Spektralbereich konvertiert. Die Farbtemperatur des wei
ßen Lichtes kann dabei durch geeignete Wahl des Lumineszenzkon
versionselementes, insbesondere durch eine geeignete Wahl des
Lumineszenzfarbstoffes und dessen Konzentration, variiert wer
den. Darüberhinaus bieten diese Anordnungen vorteilhafterweise
auch die Möglichkeit, Lumineszenzfarbstoffmischungen einzuset
zen, wodurch sich vorteilhafterweise der gewünschte Farbton
sehr genau einstellen läßt. Ebenso können Lumineszenzkonversi
onselemente inhomogen ausgestaltet sein, z. B. mittels einer
inhomogenen Lumineszenzfarbstoffverteilung. Unterschiedliche
Weglängen des Lichtes durch das Lumineszenzkonversionselement
können dadurch vorteilhafterweise kompensiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Halbleiterbauelements weist das Lumineszenzkonversion
selement oder ein anderer Bestandteil einer Bauteilumhüllung
zur Farbanpassung einen oder mehrere Farbstoffe auf, die keine
Wellenlängenkonversion bewirken. Hierzu können die für die Her
stellung von herkömmlichen Leuchtdioden verwendeten Farbstoffe
wie z. B. Azo-, Anthrachinon- oder Perinon-Farbstoffe einge
setzt werden.
Zum Schutz des Lumineszenzkonversionselements vor einer zu ho
hen Strahlenbelastung ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung
bzw. bei den o. g. bevorzugten Ausführungsformen des erfin
dungsgemäßen Halbleiterbauelements zumindest ein Teil der Ober
fläche des Halbleiterkörpers von einer ersten, z. B. aus einem
Kunststoff bestehenden transparenten Hülle umgeben, auf der die
Lumineszenzkonversionsschicht aufgebracht ist. Dadurch wird die
Strahlungsdichte im Lumineszenzkonversionselement und somit
dessen Strahlungsbelastung verringert, was sich je nach verwen
deten Materialien positiv auf die Lebensdauer des Lumineszenz
konversionselementes auswirkt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung so
wie der oben genannten Ausführungsformen ist ein Halblei
terkörper verwendet, bei dem das ausgesandte Strahlungsspektrum
bei einer Wellenlänge zwischen 420 nm und 460 nm, insbesondere
bei 430 nm (z. B. Halbleiterkörper auf der Basis von GaxAl1-xN)
oder 450 nm (z. B. Halbleiterkörper auf der Basis von GaxIn1-xN)
ein Lumineszenz-Maximum aufweist. Mit einem derartigen erfin
dungsgemäßen Halbleiterbauelement lassen sich vorteilhafterwei
se nahezu sämtliche Farben und Mischfarben der Farbtafel erzeu
gen.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Er
findung und deren Ausführungsformen besteht die Lumineszenzkon
versionsumhüllung bzw. die Lumineszenzkonversionsschicht aus
einem Lack oder aus einem Kunststoff, wie beispielsweise die
für die Umhüllung optoelektronischer Bauelemente eingesetzten
Silikon-, Thermoplast- oder Duroplastmaterialien (Epoxid- u.
Acrylatharze). Desweiteren können z. B. aus Thermoplastmateria
lien gefertigte Abdeckelemente als Lumineszenzkonversionsumhül
lung eingesetzt sein. Sämtliche oben genannten Materialien las
sen sich auf einfache Weise mit einem oder mehreren Lumines
zenzfarbstoffen versetzen.
Besonders einfach läßt sich ein erfindungsgemäßes Halbleiter
bauelement dann realisieren, wenn der Halbleiterkörper in einer
Ausnehmung eines gegebenenfalls vorgefertigten Gehäuses ange
ordnet ist und die Ausnehmung mit einem die Lumineszenzkonver
sionsschicht aufweisenden Abdeckelement versehen ist. Ein der
artiges Halbleiterbauelement läßt sich in großer Stückzahl in
herkömmlichen Produktionslinien herstellen. Hierzu muß ledig
lich nach der Montage des Halbleiterkörpers in das Gehäuse das
Abdeckelement, beispielsweise eine Lack- oder Gießharzschicht
oder eine vorgefertigtes Abdeckplatte aus Thermoplastmaterial,
auf das Gehäuse aufgebracht werden. Optional kann die Ausneh
mung des Gehäuses mit einem transparenten Material, beispiels
weise einem transparenten Kunststoff, gefüllt sein, das insbe
sondere die Wellenlänge des von dem Halbleiterkörper ausgesand
ten Lichtes nicht verändert oder aber, falls gewünscht, bereits
lumineszenzkonvertierend ausgebildet sein kann.
Um die Durchmischung der von dem Halbleiterkörper ausgesandten
Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches mit der lumineszenz
konvertierten Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches und
damit die Farbkonstanz des abstrahlten Lichtes zu verbessern,
kann der Lumineszenzumhüllung bzw. der Lumineszenzkon
versionsschicht und oder einer anderen Komponente der Bautei
lumhüllung vorteilhafterweise zusätzlich ein im Blauen lumines
zierender Farbstoff hinzugefügt werden, der eine sogenannte
Richtcharakteristik der von dem Halbleiterkörper abgestrahlten
Strahlung abschwächt. Unter Richtcharakteristik ist zu verste
hen, daß die von dem Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung ei
ne bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist.
Ein vorteilhaftes Material zur Herstellung der o.g. Lumines
zenzkonversionsschicht bzw. Lumineszenzkonversionsumhüllung ist
Polymethylmetacrylat (PMMA) dem ein oder mehrere Lumineszenz
farbstoffe zugesetzt sind. PMMA läßt sich auf einfache Weise
mit organischen Farbstoffmolekülen versetzen. Zur Herstellung
von grün-, gelb- und rotleuchtenden erfindungsgemäßen Halblei
terbauelementen können z. B. Farbstoffmoleküle auf Perylen-Ba
sis verwendet sein. Im UV, im Sichtbaren oder im Infraroten
leuchtende Halbleiterbauelemente können auch durch Beimischung
von 4f-metallorganischen Verbindungen hergestellt werden. Ins
besondere können rotleuchtende erfindungsgemäße Halbleiterbau
elemente z. B. durch Beimischung von auf Eu3+ basierenden me
tallorganischen Chelaten (λ ≈ 620 nm) realisiert werden. Infra
rot strahlende erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente, insbe
sondere mit blaues Licht aussendenden Halbleiterkörpern, können
mittels Beimischung von 4f-Chelaten oder von Ti3+-dotiertem Sa
phir hergestellt werden.
Ein weißes Licht abstrahlendes erfindungsgemäßes Halbleiterbau
element läßt sich vorteilhafterweise dadurch herstellen, daß
der Lumineszenzfarbstoff so gewählt wird, daß eine von dem
Halbleiterkörper ausgesandte blaue Strahlung in komplementäre
Wellenlängenbereiche, insbesondere Blau und Gelb, oder zu addi
tiven Farbtripeln, z. B. Blau, Grün und Rot umgewandelt wird.
Hierbei wird das gelbe bzw. das grüne und rote Licht über die
Lumineszenzfarbstoffe erzeugt. Der Farbton (Farbort in der CIE-
Farbtafel) des weißen Lichts kann dabei durch geeignete Wahl
des Farbstoffes hinsichtlich Mischung und Konzentration vari
iert werden.
Geeignete Lumineszenzfarbstoffe für ein weißes Licht abstrah
lendes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement sind Perylen-
Lumineszenzfarbstoffe wie z. B. BASF Lumogen F 083 für grüne
Lumineszenz, BASF Lumogen F 240 für gelbe Lumineszenz und BASF
Lumogen F 300 für rote Lumineszenz. Diese Farbstoffe lassen
sich auf einfache Weise z. B. transparentem Epoxidharz zuset
zen.
Eine bevorzugte Methode, mit einem blaues Licht abstrahlenden
Halbleiterkörper ein grün leuchtendes Halbleiterbauelement her
zustellen, besteht darin, für das Lumineszenzkonversionselement
UO₂⁺⁺-substituiertes Borsilikatglas zu verwenden.
Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung eines erfindungs
gemäßen Halbleiterbauelements bzw. der oben angegebenen vor
teilhaften Ausführungsformen sind dem Lumineszenzkonversionse
lement oder einer anderen strahlungsdurchlässigen Komponente
der Bauteilumhüllung zusätzlich lichtstreuende Partikel, soge
nannte Diffusoren zugesetzt. Hierdurch läßt sich vorteilhafter
weise der Farbeindruck und die Abstrahlcharakteristik des Halb
leiterbauelements optimieren.
Von besonderem Vorteil ist, daß die Leuchteffizienz von weiß
leuchtenden erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen bzw. deren
o.g. Ausführungsformen mit einem im wesentlichen auf der Basis
von GaN hergestellten blau leuchtenden Halbleiterkörper gegen
über der Leuchteffizienz einer Glühbirne erheblich erhöht ist.
Der Grund dafür besteht darin, daß zum einen die externe Quan
tenausbeute derartiger Halbleiterkörper bei einigen Prozent
liegt und andererseits die Lumineszenzausbeute von organischen
Farbstoff-Molekülen oft bei über 90% angesiedelt ist. Darüber
hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
im Vergleich zur Glühbirne durch eine extrem lange Lebensdauer,
größere Robustheit und eine kleinere Betriebsspannung aus.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß die für das menschliche Auge
wahrnehmbare Helligkeit des erfindungsgemäßen Halbleiterbau
elements gegenüber einem ohne Lumineszenzkonversionselement
ausgestatteten, aber sonst identischen Halbleiterbauelement
deutlich erhöht werden kann, da die Augenempfindlichkeit zu hö
herer Wellenlänge hin zunimmt. Es kann darüberhinaus auch ul
traviolettes Licht in sichtbares Licht umgewandelt werden.
Das hier vorgestellte Konzept der Lumineszenzkonversion mit
blauem Licht eines Halbleiterkörpers läßt sich vorteilhafter
weise auch auf mehrstufige Lumineszenzkonversionselemente er
weitern, nach dem Schema ultraviolett → blau → grün → gelb →
rot. Hierbei werden eine Mehrzahl von spektral selektiv emit
tierenden Lumineszenzkonversionselementen relativ zum Halblei
terkörper hintereinander angeordnet.
Ebenso können vorteilhafterweise mehrere unterschiedlich spek
tral selektiv emittierende Farbstoffmoleküle gemeinsam in einen
transparenten Kunststoff eines Lumineszenzkonversionselements
eingebettet sein. Hierdurch ist ein sehr breites Farbenspektrum
erzeugbar.
Besonders vorteilhaft können erfindungsgemäße Halbleiterbauele
mente gemäß der vorliegenden Erfindung in vollfarbtauglichen
LED-Anzeigevorrichtungen (Displays) eingesetzt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von 5 Ausfüh
rungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 9. Es zei
gen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch ein erstes Aus
führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausfüh
rungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch ein drittes Aus
führungsbeispiel eines erfindungsgemäße Halbleiterbauelementes;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausfüh
rungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines fünften Ausfüh
rungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines sechsten Ausfüh
rungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Emissionsspektrums
eines blaues Licht abstrahlenden Halbleiterkörpers mit einer
Schichtenfolge auf der Basis von GaN;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Emissionsspektrums
zweier erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente, die weißes
Licht abstrahlen;
Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Halb
leiterkörper, der blaues Licht aussendet;
Fig. 10 eine schematische Schnittansicht eines siebten Ausfüh
rungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes;
und
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Emissionsspektrums
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes, das mischfarbi
ges rotes Licht abstrahlt.
Bei den verschiedenen Figuren sind gleiche bzw. gleichwirkende
Teile immer mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Licht aussendenden Halblei
terbauelement weist ein Halbleiterkörper 1 einen Unterseiten
kontakt 11, einen Oberseitenkontakt 12 und eine sich aus einer
Anzahl von unterschiedlichen Schichten zusammensetzende Schich
tenfolge 7 auf, die mindestens eine eine Strahlung (z. B. ul
traviolett, blau oder grün) aussendende aktive Zone besitzt.
Ein Beispiel für eine geeignete Schichtenfolge 7 für dieses und
für sämtliche im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele
ist in Fig. 9 gezeigt. Hierbei ist auf einem Substrat 18, das
z. B. aus SiC besteht, eine Schichtenfolge aus einer AlN- oder
GaN-Schicht 19, einer n-leitenden GaN-Schicht 20, einer n-
leitenden GaxAl1-xN- oder GaxIn1-xN-Schicht 21, einer weiteren n-
leitenden GaN- oder einer GaxIn1-xN-Schicht 22, einer p-
leitenden GaxAl1-xN- oder GaxIn1-xN-Schicht 23 und einer p-
leitenden GaN-Schicht 24 aufgebracht. Auf einer Oberseite 25
der p-leitenden GaN-Schicht 24 und einer Unterseite 26 des
Substrats 18 ist jeweils eine Kontaktmetallisierung 27, 28 auf
gebracht.
Es kann jedoch auch jeder andere dem Fachmann für das erfin
dungsgemäße Halbleiterbauelement als geeignet erscheinende
Halbleiterkörper verwendet werden. Dies gilt ebenso für sämt
liche nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist der Halbleiterkörper 1
mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsmittels, z. B.
ein metallisches Lot oder ein Klebstoff, mit seinem Untersei
tenkontakt 11 auf einem ersten elektrischen Anschluß 2 befe
stigt. Der Oberseitenkontakt 12 ist mittels eines Bonddrahtes
14 mit einem zweiten elektrischen Anschluß 3 verbunden.
Die freien Oberflächen des Halbleiterkörpers 1 und Teilbereiche
der elektrischen Anschlüsse 2 und 3 sind unmittelbar von einer
Lumineszenzkonversionsumhüllung 5 umschlossen. Diese besteht
beispielsweise aus einem für transparente Leuchtdiodenumhüllun
gen verwendbaren transparenten Kunststoff (z. B. Epoxidharz
oder Polymethylmetaacrylat), der mit Lumineszenzfarbstoff 6
versetzt ist. Die hierzu geeigneten Farbstoffe sind bereits
weiter oben im allgemeinen Teil der Beschreibung genannt und
werden daher an dieser Stelle nicht eigens angeführt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Halbleiterbauelements unterscheidet sich von dem
der Fig. 1 dadurch, daß der Halbleiterkörper 1 und Teilberei
che der elektrischen Anschlüsse 2 und 3 anstatt von einer Lumi
neszenzkonversionsumhüllung von einer transparenten Umhüllung
15 umschlossen sind. Diese transparente Umhüllung 15 bewirkt
keine Wellenlängenänderung der von dem Halbleiterkörper 1 aus
gesandten Strahlung und besteht beispielsweise aus einem in der
Leuchtdiodentechnik herkömmlich verwendeten Epoxid-, Silikon-
oder Acrylatharz oder aus einem anderen geeigneten Material.
Auf diese transparente Umhüllung 15 ist eine Lumineszenzkonver
sionsschicht 4 aufgebracht, die, wie in der Fig. 2 darge
stellt, die gesamte Oberfläche der Umhüllung 15 bedeckt. Ebenso
denkbar ist, daß die Lumineszenzkonversionsschicht 4 nur einen
Teilbereich dieser Oberfläche bedeckt. Die Lumineszenzkonversi
onsschicht 4 besteht beispielsweise wiederum aus einem transpa
renten Kunststoff (z. B. Epoxidharz, Lack oder Polymethylme
taacrylat), der mit einem Lumineszenzfarbstoff 6 versetzt ist.
Dieses Ausführungsbeispiel hat, wie weiter oben bereits er
wähnt, den besonderen Vorteil, daß für die gesamte von dem
Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung die Weglänge durch das
Lumineszenzkonverionselement nahezu gleich groß ist. Dies
spielt insbesondere dann eine bedeutende Rolle, wenn, wie es
oftmals der Fall ist, der genaue Farbton des von dem Halblei
terbauelement abgestrahlten Lichtes von dieser Weglänge ab
hängt.
Zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der Lumineszenzkonver
sionsschicht 4 von Fig. 2 kann auf einer Seitenfläche des Bau
elements eine linsenförmige Abdeckung 29 (gestrichelt einge
zeichnet) vorgesehen sein, die eine Totalreflexion der Strah
lung innerhalb der Lumineszenzkonversionsschicht 4 reduziert.
Diese linsenförmige Abdeckung 29 kann aus transparentem Kunst
stoff bestehen und auf die Lumineszenzkonversionsschicht 4 bei
spielsweise aufgeklebt oder direkt als Bestandteil der Lumines
zenzkonversionsschicht 4 ausgebildet sein.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der
erste und zweite elektrische Anschluß 2, 3 in ein lichtundurch
lässiges evtl. vorgefertigtes Grundgehäuse 8 mit einer Ausneh
mung 9 eingebettet. Unter "vorgefertigt" ist zu verstehen, daß
das Grundgehäuse 8 bereits an den Anschlüssen 2, 3 beispielswei
se mittels Spritzguß fertig ausgebildet ist, bevor der Halblei
terkörper auf den Anschluß 2 montiert wird. Das Grundgehäuse 8
besteht beispielsweise aus Kunststoff und die Ausnehmung 9 ist
als Reflektor 17 (ggf. durch geeignete Beschichtung der Innen
wände der Ausnehmung 9) ausgebildet. Solche Grundgehäuse 8 wer
den seit langem insbesondere bei oberflächenmontierbaren
Leuchtdioden (SMD-TOPLEDs) verwendet und werden daher an dieser
Stelle nicht mehr näher erläutert. Sie werden vor der Montage
der Halbleiterkörper auf ein die elektrischen Anschlüsse 2, 3
aufweisendes Leiterband (Leadframe) aufgebracht.
Die Ausnehmung 9 ist von einer Lumineszenzkonversionsschicht 4,
beispielsweise eine separat hergestellte und auf dem Grundge
häuse 8 befestigte Abdeckplatte 17 aus Kunststoff abgedeckt.
Als geeignete Materialien für die Lumineszenzkonversionsschicht
4 kommen wiederum die weiter oben im allgemeinen Teil der Be
schreibung genannten Kunststoffe in Verbindung mit den dort ge
nannten Farbstoffen in Frage. Die Ausnehmung 9 kann sowohl mit
einem transparenten Kunststoff oder mit Gas gefüllt als auch
mit einem Vakuum versehen sein.
Ebenso ist es möglich, daß die Ausnehmung 9, wie in Fig. 10
gezeigt, mit einem mit Lumineszenzfarbstoff versehenen Kunst
stoff o. ä., d. h. mit einer Lumineszenzumhüllung 5 gefüllt
ist, die das Lumineszenzkonversionselement bildet. Eine Abdeck
platte 17 und/oder eine linsenförmige Abdeckung 29 kann dann
auch weggelassen sein.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann auch hier zur
besseren Auskopplung des Lichtes aus der Lumineszenzkonversi
onsschicht 4 auf dieser eine linsenförmige Abdeckung 29
(gestrichelt eingezeichnet) vorgesehen sein, die eine Totalre
flexion der Strahlung innerhalb der Lumineszenzkonversions
schicht 4 reduziert. Diese Abdeckung 29 kann aus transparentem
Kunststoff bestehen und auf die Lumineszenzkonversionsschicht 4
beispielsweise aufgeklebt oder zusammen mit der Lumineszenzkon
versionsschicht 4 einstückig ausgebildet sein.
In Fig. 4 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine sogenannte
Radialdiode dargestellt. Hierbei ist der Halbleiterkörper 1 in
einem als Reflektor ausgebildeten Teil 16 des ersten elektri
schen Anschlusses 2 beispielsweise mittels Löten oder Kleben be
festigt. Auch derartige Gehäusebauformen sind aus der Leuchtdi
odentechnik wohlbekannt und bedürfen von daher keiner näheren
Erläuterung.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist der Halbleiterkör
per 1 von einer transparenten Umhüllung 15 umgeben, die wie
beim zweitgenannten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) keine Wellen
längenänderung der von dem Halbleiterkörper 1 ausgesandten
Strahlung bewirkt und beispielsweise aus einem herkömmlich in
der Leuchtdiodentechnik verwendeten transparenten Epoxidharz
bestehen kann.
Auf dieser transparenten Umhüllung 15 ist eine Lumineszenzkon
versionsschicht 4 aufgebracht. Als Material hierfür kommen bei
spielsweise wiederum die im Zusammenhang mit den vorgenannten
Ausführungsbeispielen angeführten Kunststoffe in Verbindung mit
den dort genannten Farbstoffen in Frage.
Der gesamte Aufbau, bestehend aus Halbleiterkörper 1, Teilbe
reiche der elektrischen Anschlüsse 2, 3, transparente Umhüllung
15 und Lumineszenzkonversionsschicht 4, ist unmittelbar von ei
ner weiteren transparenten Umhüllung 10 umschlossen, die keine
Wellenlängenänderung der durch die Lumineszenzkonversions
schicht 4 hindurchgetretenen Strahlung bewirkt. Sie besteht
beispielsweise wiederum aus einem herkömmlich in der Leuchtdi
odentechnik verwendeten transparenten Epoxidharz.
Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem von Fig. 4 im wesentlichen dadurch, daß die freien
Oberflächen des Halbleiterkörpers 1 unmittelbar von einer Lumi
neszenzkonversionsumhüllung 5 bedeckt sind, die wiederum von
einer weiteren transparenten Umhüllung 10 umgeben ist. In Fig.
5 ist weiterhin beispielhaft ein Halbleiterkörper 1 darge
stellt, bei dem anstelle des Unterseitenkontaktes ein weiterer
Kontakt auf der Halbleiterschichtenfolge 7 angebracht ist, der
mittels eines zweiten Bonddrahtes 14 mit dem zugehörigen elek
trischen Anschluß 2 oder 3 verbunden ist. Selbstverständlich
sind derartige Halbleiterkörper 1 auch bei allen anderen hierin
beschriebenen Ausführungsbeispielen einsetzbar. Umgekehrt ist
natürlich auch bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ein
Halbleiterkörper 1 gemäß den vorgenannten Ausführungsbeispielen
verwendbar.
Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle angemerkt, daß
selbstverständlich auch bei der Bauform nach Fig. 5 analog zu
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine einstückige Lumines
zenzkonversionsumhüllung 5, die dann an die Stelle der Kombina
tion aus Lumineszenzkonversionsumhüllung 5 und weiterer trans
parenter Umhüllung 10 tritt, verwendet sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 ist eine Lumineszenz
konversionsschicht 4 (mögliche Materialien wie oben angegeben)
direkt auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht. Dieser und Teil
bereiche der elektrischen Anschlüsse 2, 3 sind von einer weite
ren transparenten Umhüllung 10 umschlossen, die keine Wellen
längenänderung der durch die Lumineszenzkonversionsschicht 4
hindurchgetretenen Strahlung bewirkt und beispielsweise aus ei
nem in der Leuchtdiodentechnik verwendbaren transparenten
Epoxidharz gefertigt ist.
Solche, mit einer Lumineszenzkonversionsschicht 4 versehenen
Halbleiterkörper 1 ohne Umhüllung können natürlich vorteilhaf
terweise in sämtlichen aus der Leuchtdiodentechnik bekannten
Gehäusebauformen (z. B. SMD-Gehäuse, Radial-Gehäuse (man ver
gleiche Fig. 5)) verwendet sein.
Bei sämtlichen der oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
kann zur Optimierung des Farbeindrucks des abstrahlten Lichts
sowie zur Anpassung der Abstrahlcharakteristik das Lumineszenz
konversionselement (Lumineszenzkonversionsumhüllung 5 oder Lu
mineszenzkonversionsschicht 4), ggf. die transparente Umhüllung
15, und/oder ggf. die weitere transparente Umhüllung 10
lichtstreuende Partikel, sogenannte Diffusoren aufweisen. Bei
spiele für derartige Diffusoren sind mineralische Füllstoffe,
insbesondere CaF₂, TiO₂, SiO₂, CaCO₃ oder BaSO₄ oder auch orga
nische Pigmente. Diese Materialien können auf einfache Weise
den o.g. Kunststoffen zugesetzt werden.
In den Fig. 7 und 8 sind abschließend Emissionsspektren ei
nes blaues Licht abstrahlenden Halbleiterkörpers (Fig. 8)
(Lumineszenzmaximum bei λ ∼ 430 nm) bzw. eines mittels eines
solchen Halbleiterkörpers hergestellten weiß leuchtenden erfin
dungsgemäßen Halbleiterbauelements (Fig. 9) gezeigt. An der
Abszisse ist jeweils die Wellenlänge λ in nm und auf der Ordina
te ist jeweils eine relative Elektrolumineszenz (EL) -Intensität
aufgetragen.
Von der vom Halbeiterkörper ausgesandten Strahlung nach Fig. 7
wird nur ein Teil in einen längerwelligen Wellenlängenbereich
konvertiert, so daß als Mischfarbe weißes Licht entsteht. Die
gestrichelte Linie 30 in Fig. 8 stellt ein Emissionsspektrum
von einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement dar, das
Strahlung aus zwei komplementären Wellenlängenbereichen (Blau
und Gelb) und damit weißes Licht aussendet. Das Emissionsspek
trum weist hier bei Wellenlängen zwischen ca. 400 und ca. 430
nm (Blau) und zwischen ca. 550 und ca. 580 nm (Gelb) je ein Ma
ximum auf. Die durchgezogene Linie 31 repräsentiert das Emissi
onsspektrum eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, das
die Farbe Weiß aus drei Wellenlängenbereichen (additives Farb
tripel aus Blau, Grün und Rot) mischt. Das Emissionsspektrum
weist hier beispielsweise bei den Wellenlängen von ca. 430 nm
(Blau), ca. 500 nm (Grün) und ca. 615 nm (Rot) je ein Maximum
auf.
Desweiteren ist in Fig. 11 ein Emissionsspektrum eines erfin
dungsgemäßen Halbleiterbauelements dargestellt, das mischfarbi
ges Licht aus blauem Licht (Maximum bei einer Wellenlänge von
ca. 470 nm) und rotem Licht (Maximum bei einer Wellenlänge von
ca. 620 nm) abstrahlt. Der Gesamtfarbeindruck des abgestrahlten
Lichtes für das menschliche Auge ist Magenta. Das vom Halblei
terkörper abgestrahlte Emissionsspektrum entspricht hier wie
derum dem von Fig. 7.
Claims (25)
1. Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit einem Strahlung
aussendenden Halbleiterkörper (1), mit mindestens einem ersten
und einem zweiten elektrischen Anschluß (2, 3), die mit dem
Halbleiterkörper (1) elektrisch leitend verbunden sind, und mit
einem Lumineszenzkonversionselement,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper (1) eine Halbleiterschichtenfolge (7), die eine elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ von 520 nm aus sendet und
daß das Lumineszenzkonversionselement Strahlung eines er sten spektralen Teilbereiches der von dem Halbleiterkörper (1) ausgesandten, aus einem ersten Wellenlängenbereich stammenden Strahlung in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches um wandelt, derart, daß das Halbleiterbauelement Strahlung aus ei nem zweiten spektralen Teilbereich des ersten Wellenlängenbe reiches und Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches aussen det.
daß der Halbleiterkörper (1) eine Halbleiterschichtenfolge (7), die eine elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ von 520 nm aus sendet und
daß das Lumineszenzkonversionselement Strahlung eines er sten spektralen Teilbereiches der von dem Halbleiterkörper (1) ausgesandten, aus einem ersten Wellenlängenbereich stammenden Strahlung in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches um wandelt, derart, daß das Halbleiterbauelement Strahlung aus ei nem zweiten spektralen Teilbereich des ersten Wellenlängenbe reiches und Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches aussen det.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Lumineszenzkonversionselement Strahlung eines er
sten spektralen Teilbereiches der von dem Halbleiterkörper (1)
ausgesandten, aus einem ersten Wellenlängenbereich stammenden
Strahlung in Strahlung mehrerer zweiter Wellenlängenbereiche um
wandelt, derart, daß das Halbleiterbauelement Strahlung aus ei
nem zweiten spektralen Teilbereich des ersten Wellenlängenbe
reiches und Strahlung der zweiten Wellenlängenbereiche aus sen
det.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement Strahlung
mehrerer erster spektraler Teilbereiche der von dem Halbleiter
körper (1) ausgesandten, aus einem ersten Wellenlängenbereich
stammenden Strahlung in Strahlung mehrerer zweiter Wellenlängen
bereiche umwandelt, derart, daß das Halbleiterbauelement Strah
lung aus mehreren zweiten spektralen Teilbereichen des ersten
Wellenlängenbereiches und Strahlung der zweiten Wellenlängenbe
reiche aussendet.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) eine aktive
Schicht aus GaxIn1-xN oder GaxAl1-xN aufweist.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß als Lumineszenzkonversionselement
über oder auf dem Halbleiterkörper (1) mindestens eine Lumines
zenzkonversionsschicht (4) vorgesehen ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß als Lumineszenzkonversionselement ei
ne Lumineszenzkonversionsumhüllung (5) vorgesehen ist, die zu
mindest einen Teil des Halbleiterkörpers (1) und Teilbereiche
der elektrischen Anschlüsse (2, 3) umschließt.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement mit
einem oder mehreren Lumineszenzfarbstoffen (6) versehen ist.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß der bzw. die zweiten Wellenlängenbe
reiche zumindest teilweise größere Wellenlängen λ aufweist als
der bzw. die ersten Wellenlängenbereiche.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 4 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite spektrale Teilbereich
des ersten Wellenlängenbereiches und der zweite Wellenlängenbe
reich zumindest teilweise zueinander komplementär sind, so daß
mischfarbiges, insbesondere weißes Licht erzeugt wird.
10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß ein zweiter spektraler Teilbereich
dem ersten Wellenlängenbereiches und zwei zweite Wellenlängen
bereiche ein additives Farbtripel ergeben.
11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die vom Halbleiterkörper (1) ausge
sandte Strahlung bei λ = 430 nm oder bei λ = 450 nm ein Lumi
neszenz-Maximum aufweist.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 und einem der Ansprü
che 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil
der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) von einer transparen
ten Umhüllung (15) umgeben ist und daß auf der transparenten
Umhüllung (15) eine Lumineszenzkonversionsschicht (4) aufge
bracht ist.
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 und einem der Ansprü
che 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einem
Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) eine Lumineszenz
konversionsschicht (4) aufgebracht ist.
14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 und einem der Ansprü
che 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
(1) in einer Ausnehmung (9) eines Grundgehäuses (8) angeordnet
ist und daß die Ausnehmung (9) mit einer eine Lumineszenzkon
versionsschicht (4) aufweisenden Abdeckschicht versehen ist.
15. Halbleiterbauelement einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) in einer Ausneh
mung (9) eines Grundgehäuses (8) angeordnet ist und daß die
Ausnehmung (9) zumindest teilweise mit dem Lumineszenzkonversi
onselement gefüllt ist.
16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement
mehrere Schichten mit unterschiedlichen Wellenlängenkonversi
onseigenschaften aufweist.
17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da
durch gekennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement or
ganische Farbstoffmoleküle in einer Kunststoff-Matrix aufweist,
die insbesondere aus Silikon-, Thermoplast- oder Duroplastmate
rial besteht.
18. Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß das Lumineszenzkonversionselement organische Farb
stoffmoleküle in einer Epoxidharz-Matrix aufweist.
19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß das Lumineszenzkonversionselement organische Farb
stoffmoleküle in einer Polymethylmetacrylat-Matrix aufweist.
20. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement or
ganische Farbstoffmoleküle mit und ohne Wellenlängenkonversi
onswirkung aufweist.
21. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da
durch gekennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement und
oder eine transparente Umhüllung (10, 15) lichtstreuende Parti
kel aufweist.
22. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, da
durch gekennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement mit
einem oder mehreren lumineszierenden 4f-metallorganischen Ver
bindungen versehen ist.
23. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, da
durch gekennzeichnet, daß das Lumineszenzkonversionselement und
oder eine transparente Umhüllung (10, 15) mit mindestens einem
im Blauen lumineszierenden Lumineszenzfarbstoff versehen ist.
24. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, da
durch gekennzeichnet, daß nur ein einziger Halbleiterkörper (1)
vorgesehen ist.
25. Verwendung einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 24 in einer vollfarbtauglichen LED-
Anzeigevorrichtung.
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