DE19655445B3

DE19655445B3 - Weißes Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionsschicht und Verwendung solcher Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE19655445B3
Application number: DE19655445.4A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmidt; Dr. Schlotter Peter; Dr. Schneider Jürgen
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2016-09-21

Abstract

Weißes Licht abstrahlendes Bauelement mit – einem blaues Licht aussendenden Halbleiterkörper (1), der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs mit einem Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 420 nm und 460 nm aussendet, und – einem Lumineszenzkonversionselement (4), das einen lumineszierenden Leuchtstoff aufweist, der einen Teil der vom Halbleiterkörper (1) ausgesandten Strahlung absorbiert und sichtbares Licht eines längerwelligen zweiten Wellenlängenbereichs emittiert, wobei das Lumineszenzkonversionselement (4) – als Lumineszenzkonversionsschicht (4) mit einer durchweg konstanten Dicke geformt ist, – Partikel (6) mehrerer unterschiedlich spektral emittierender anorganischer Leuchtstoffe enthält, die in ein Silikonmaterial eingebettet sind, wobei sich die Partikel (6) in dem Silikonmaterial nicht lösen und wobei die Partikel (6) und das Silikonmaterial voneinander verschiedene Brechungsindizes aufweisen, – als einen der Leuchtstoffe YAG:Ce enthält, sodass nur ein Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umgewandelt wird, – sowohl für die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs als auch für die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise durchlässig ist, – zumindest zum Teil dem Halbleiterkörper (1) in Abstrahlrichtung des Bauelements nachgeordnet ist, und – von dem Halbleiterkörper (1) abgestrahltes sichtbares Licht des ersten Wellenlängenbereichs mit lumineszenzkonvertiertem sichtbarem Licht des zweiten Wellenlängenbereichs mischt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein weißes Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement und auf die Verwendung solcher Halbleiterbauelemente.
In vielen potentiellen Anwendungsgebieten für Leuchtdioden, wie zum Beispiel bei Anzeigeelementen im Kfz-Armaturenbrett, Beleuchtung in Flugzeugen und Autos und bei vollfarbtauglichen LED-Displays, tritt verstärkt die Forderung nach Leuchtdiodenanordnungen auf, mit denen sich mischfarbiges Licht, insbesondere weißes Licht erzeugen lässt. Bisher lässt sich weißes „LED“-Licht beispielsweise mit sogenannten Multi-LEDs erzeugen, bei denen drei verschiedenfarbige Leuchtdioden (i. a. eine rote, eine grüne und eine blaue) oder zwei komplementärfarbige Leuchtdioden (z. B. eine blaue und eine gelbe) verwendet werden. Neben einem erhöhten Montageaufwand sind für solche Multi-LEDs auch aufwendige Ansteuerelektroniken erforderlich, da die verschiedenen Diodentypen unterschiedliche Ansteuerspannungen benötigen. Außerdem wird die Langzeitstabilität hinsichtlich Wellenlänge und Intensität durch unterschiedliche Alterungserscheinungen der verschiedenen Leuchtdioden und auch aufgrund der unterschiedlichen Ansteuerspannungen und den daraus resultierenden unterschiedlichen Betriebsströmen beeinträchtigt. Ein zusätzlicher Nachteil der Multi-LEDs besteht darin, dass die Bauteilminiaturisierung stark begrenzt ist.
Die Druckschrift JP H07-099345 A offenbart eine LED mit einem fluoreszierenden Pigment in einem Harz, das den strahlungsemittierenden Halbleiterchip der LED verkapselt, und einer weiteren transparenten Umhüllung.
Die Druckschrift JP H05-152609 A beschreibt eine LED mit einem lichtemittierenden Halbleiterkörper auf Galliumnitridbasis und einer Umhüllung aus einem Harz, das fluoreszierendes Material umfasst.
Die Druckschrift JP H07-176794 A beschreibt eine flächige Lichtquelle mit LEDs sowie einer Schicht, die fluoreszierendes Material und lichtstreuendes Pulver umfasst.
Die Druckschrift EP 0 594 424 A1 betrifft eine Leuchtstofflampe mit mehreren anorganischen Leuchtstoffen.
Aus der Druckschrift JP H05-152609 A ist eine LED bekannt, bei der ein fluoreszierender Farbstoff in einer Umhüllung eines LED-Chips angebracht ist.
Die Druckschrift Nikkei Sangyo Shimbun, Weiße LED-Lampe, 13.09.1996, betrifft eine weiß emittierende Lampe mit einer LED.
In der Druckschrift KR 10 1996 0 005 735 A ist ein Display mit Leuchtdioden und mit Leuchtstoffen angegeben.
Aus der Druckschrift US 3 921 026 A ist eine Festkörperlichtquelle mit einem Silikon bekannt.
Die nachveröffentlichte Druckschrift EP 0 936 682 A1 betrifft eine blau emittierende LED mit einem Seltenerd-dotierten Granat-Leuchtstoff.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem auf technisch einfache Weise, mit einem möglichst geringen Bauteileaufwand, weißes Licht erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement mit allen Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Strahlung aussendender Halbleiterkörper, mit mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten mit dem Halbleiterkörper elektrisch leitend verbundenen elektrischen Anschluss vorgesehen, dem ein Lumineszenzkonversionselement, das als Lumineszenzkonversionsschicht ausgebildet ist, zugeordnet ist. Der Halbleiterkörper weist eine Schichtenfolge auf, die blaues Licht mit einem Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 420 nm und 460 nm aussendet. Sie weist insbesondere eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht aus Ga_xIn_1-xN oder Ga_xAl_1-xN auf. Das Lumineszenzkonversionselement wandelt Strahlung eines ersten spektralen Teilbereiches der von dem Halbleiterkörper ausgesandten, aus einem ersten Wellenlängenbereich stammenden Strahlung in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches um, derart, dass das Halbleiterbauelement Strahlung aus mindestens einem zweiten spektralen Teilbereich des ersten Wellenlängenbereiches und Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches aussendet. Das Lumineszenzkonversionselement ist dazu mit mehreren anorganischen Leuchtstoffen, darunter YAG:Ce, versehen, sodass nur ein Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umgewandelt wird. Das heißt zum Beispiel, dass das Lumineszenzkonversionselement einen Teil einer vom Halbleiterkörper ausgesandten Strahlung spektral selektiv absorbiert und im längerwelligen Bereich (im zweiten Wellenlängenbereich) emittiert. Außerdem weist die Lumineszenzkonversionsschicht eine durchweg konstante Dicke auf. Partikel der anorganischen Leuchtstoffe sind in einen sie umhüllenden Silikonmaterial eingebettet und lösen sich nicht in dem Silikonmaterial. Die Partikel und das umhüllende Silikonmaterial weisen voneinander verschiedene Brechungsindizes auf. Die Lumineszenzkonversionsschicht ist sowohl für die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs als auch für die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise durchlässig ist und ist zumindest zum Teil dem Halbleiterkörper in Abstrahlrichtung des Bauelements nachgeordnet. Von dem Halbleiterkörper abgestrahltes blaues Licht des ersten Wellenlängenbereichs mischt sich mit lumineszenzkonvertiertem sichtbarem Licht des zweiten Wellenlängenbereichs, sodass das weiße Licht abgestrahlt wird.
Als zusätzliche Leuchtstoffe geeignet sind weitere mit Seltenen Erden dotierte Granate wie z. B. Y(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ und Y(Al,Ga)₅O₁₂:Tb³⁺ sowie mit Seltenen Erden dotierte Erdalkali-Sulfide wie z. B. SrS:Ce³⁺,Na, SrS:Ce³⁺,Cl, SrS:CeCl₃, CaS:Ce³⁺ und SrSe:Ce³⁺.
Als zusätzliche Leuchtstoffe eignen sich darüber hinaus mit Seltenen Erden dotierte Thiogallate wie z. B. CaGa₂S₄:Ce³⁺ und SrGa₂S₄:Ce³⁺ sowie mit Seltenen Erden dotierte Aluminate wie z. B. YAlO₃:Ce³⁺, YGaO₃:Ce³⁺, Y(Al,Ga)O₃:Ce³⁺ und mit Seltenen Erden dotierte Orthosilikate M₂SiO₅:Ce³⁺ (M: Sc, Y) wie z. B. Y₂SiO₅:Ce³⁺. Bei allen Yttriumverbindungen kann das Yttrium im Prinzip auch durch Scandium oder Lanthan ersetzt werden.
Ebenso kann vorteilhafterweise bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement auch eine Anzahl (einer oder mehrere) von aus dem ersten Wellenlängenbereich 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 Lumineszenzkonversion erzeugte Wellenlängenspektrum und damit die Farbe des abgestrahlten Lichtes nicht von der Höhe der Betriebsstromstärke durch den Halbleiterkörper abhängt. Dies ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn die Umgebungstemperatur des Halbleiterbauelementes und damit bekanntermaßen auch die Betriebsstromstärke stark schwankt. Besonders Leuchtdioden mit einem Halbleiterkörper auf der Basis von GaN sind diesbezüglich sehr empfindlich.
Außerdem benötigt das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement im Gegensatz zu den eingangs genannten Multi-LEDs nur eine einzige Ansteuerspannung und damit auch nur eine einzige Ansteuerschaltungsanordnung, wodurch der Bauteileaufwand sehr gering gehalten werden kann.
Gemäß der Erfindung ist als Lumineszenzkonversionselement über oder auf dem Halbleiterkörper eine teiltransparente, d. h. eine für die von dem Strahlung aussendenden Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung teilweise transparente Lumineszenzkonversionsschicht vorgesehen. Um eine einheitliche Farbe des abgestrahlten Lichtes sicherzustellen, ist die Lumineszenzkonversionsschicht derart ausgebildet, dass sie durchweg eine konstante Dicke aufweist. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements besteht darin, dass auf einfache Weise eine hohe Reproduzierbarkeit erzielt werden kann, was für eine effiziente Massenfertigung von wesentlicher Bedeutung ist.
Eine nicht erfindungsgemäße Abwandlung weist als Lumineszenzkonversionselement eine teiltransparente Lumineszenzkonversionsumhüllung auf, die zumindest einen Teil des Halbleiterkörpers (und evtl. Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse) umschließt und gleichzeitig als Bauteilumhüllung (Gehäuse) genutzt sein kann. Der Vorteil eines Halbleiterbauelements gemäß dieser nicht erfindungsgemäßen Abwandlung besteht im Wesentlichen darin, dass zu seiner Herstellung konventionelle, für die Herstellung von herkömmlichen Leuchtdioden (z. B. Radial-Leuchtdioden) eingesetzte Produktionslinien genutzt werden können. Für die Bauteilumhüllung ist anstelle des bei herkömmlichen Leuchtdioden dafür verwendeten transparenten Kunststoffes das Material der Lumineszenzkonversionsumhüllung verwendet.
Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass der oder die zweiten Wellenlängenbereiche zumindest teilweise größere Wellenlängen aufweisen als der erste Wellenlängenbereich.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ein zweiter spektraler Teilbereich des ersten Wellenlängenbereiches und ein zweiter Wellenlängenbereich zueinander komplementär sind. Auf diese Weise kann aus einer einzigen farbigen Lichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode mit einem einzigen blaues oder grünes Licht abstrahlenden Halbleiterkörper, weißes Licht erzeugt werden. Um mit dem blaues Licht aussendenden Halbleiterkörper weißes Licht zu erzeugen, wird ein Teil des von dem Halbleiterkörper ausgesandten Spektralbereiches in einen gelben Spektralbereich konvertiert. Die Farbtemperatur des weißen Lichtes kann dabei durch geeignete Gestaltung des Lumineszenzkonversionselements (z. B. hinsichtlich Schichtdicke und Leuchtstoffkonzentration), variiert werden. Darüber werden Leuchtstoffmischungen eingesetzt, wodurch sich vorteilhafterweise der gewünschte Farbton sehr genau einstellen läßt.
Ebenso können Lumineszenzkonversionselemente inhomogen ausgestaltet sein, z. B. mittels einer inhomogenen Leuchtstoffverteilung. Unterschiedliche Weglängen des Lichtes durch das Lumineszenzkonversionselement können dadurch vorteilhafterweise kompensiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements weist das Lumineszenzkonversionselement oder ein anderer Bestandteil einer Bauteilumhüllung zur Farbanpassung einen oder mehrere Farbstoffe auf, die keine Wellenlängenkonversion bewirken. Hierzu können die für die Herstellung von herkömmlichen Leuchtdioden verwendeten Farbstoffe wie z. B. Azo-, Anthrachinon- oder Perinon-Farbstoffe wie herkömmlich eingesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist zumindest ein Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers von einer ersten, z. B. aus einem Kunststoff bestehenden transparenten Umhüllung umgeben, auf der die Lumineszenzkonversionsschicht aufgebracht ist. Dadurch wird die Strahlungsdichte im Lumineszenzkonversionselement und somit dessen Strahlungsbelastung verringert, was sich je nach verwendeten Materialien positiv auf die Lebensdauer des Lumineszenzkonversionselementes auswirkt.
Gemäß der Erfindung ist ein Halbleiterkörper, z. B. eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode 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 Ga_xAl_1-xN) oder 450 nm (z. B. Halbleiterkörper auf der Basis von Ga_xIn_1-xN) ein Intensitätsmaximum hat. Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement lassen sich vorteilhafterweise nahezu sämtliche Farben und Mischfarben der C.I.E.-Farbtafel erzeugen.
Gemäß der Erfindung ist die Lumineszenzkonversionsschicht aus einem wie beispielsweise für die Umhüllung optoelektronischer Bauelemente eingesetzten Silikonmaterial hergestellt. In nicht erfindungsgemäßen Abwandlungen können z. B. aus Thermoplastmaterialien gefertigte Abdeckelemente als Lumineszenzkonversionsschicht eingesetzt sein.
Besonders einfach lässt sich ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement vorteilhafterweise dann realisieren, wenn der Halbleiterkörper gemäß einer bevorzugten Weiterbildung in einer Ausnehmung eines gegebenenfalls vorgefertigten Gehäuses angeordnet ist und die Ausnehmung mit einem die Lumineszenzkonversionsschicht aufweisenden Abdeckelement versehen ist. Ein derartiges Halbleiterbauelement lässt sich in großer Stückzahl in herkömmlichen Produktionslinien herstellen. Hierzu muss lediglich nach der Montage des Halbleiterkörpers in das Gehäuse, das Abdeckelement, beispielsweise eine Lack- oder Gießharzschicht oder eine vorgefertigte Abdeckplatte aus Thermoplastmaterial, auf das Gehäuse aufgebracht werden. Optional kann die Ausnehmung des Gehäuses mit einem transparenten Material, beispielsweise einem transparenten Kunststoff, gefüllt sein, das z. B. die Wellenlänge des von dem Halbleiterkörper ausgesandten Lichtes nicht verändert oder aber, falls gewünscht, bereits lumineszenzkonvertierend ausgebildet sein kann. Im letztgenannten Fall kann das Abdeckelement auch weggelassen sein.
Bei einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung bestehen zumindest alle lichtdurchstrahlten Komponenten der Umhüllung, d. h. auch die Lumineszenzkonversionsumhüllung bzw. -schicht aus rein anorganischen Materialien. Das Lumineszenzkonversionselement besteht somit aus einem anorganischen Leuchtstoff, der in einem temperaturstabilen, transparenten oder teiltransparenten anorganischen Material eingebettet ist. Insbesondere besteht das Lumineszenzkonversionselement aus einem anorganischen Phosphor, der in ein vorteilhafterweise niedrig schmelzendes anorganisches Glas (z. B. Silikatglas) eingebettet ist. Eine bevorzugte Herstellungsweise für eine derartige Lumineszenzkonversionsschicht ist die Sol-Gel-Technik, mit der die gesamte Lumineszenzkonversionsschicht, d. h. sowohl der anorganische Leuchtstoff als auch das Einbettmaterial in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann.
Um die Durchmischung der von dem Halbleiterkörper ausgesandten Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches mit der lumineszenzkonvertierten Strahlung des zweiten Wellenlängebereiches und damit die Farbkonstanz des abstrahlten Lichtes zu verbessern, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements der Lumineszenzkonversionsschicht und/oder einer anderen Komponente der Bauteilumhüllung zusätzlich ein im Blauen lumineszierender Farbstoff hinzugefügt, der eine sogenannte Richtcharakteristik der von dem Halbleiterkörper abgestrahlten Strahlung abschwächt. Unter Richtcharakteristik ist zu verstehen, dass die von dem Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist.
Beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement sind zu diesem Zweck pulverförmige anorganische Leuchtstoffe verwendet, die sich in dem umhüllenden Stoff (Matrix) nicht lösen. Außerdem weisen die anorganischen Leuchtstoffe und der umhüllende Stoff voneinander verschiedene Brechungsindizes auf. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass abhängig von der Korngröße der Leuchtstoffe, ein Anteil des nicht von den Leuchtstoffen absorbierten Lichtes gestreut wird. Dadurch ist die Richtcharakteristik der von dem Halbleiterkörper abgestrahlten Strahlung effizient geschwächt, sodass die nicht absorbierte Strahlung und die lumineszenzkonvertierte Strahlung homogen gemischt werden, was zu einem räumlich homogenen Farbeindruck führt. Das ist z. B. der Fall, wenn YAG:Ce eine Korngröße von 4 µm–13 µm aufweist.
Ein Teil einer von dem Halbleiterkörper ausgesandten blauen Strahlung wird von dem anorganischen Leuchtstoff Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ in den gelben Spektralbereich und somit in einen komplementären Wellenlängenbereich verschoben. Der Farbton (Farbort in der CIE-Farbtafel) des weißen Lichts kann dabei durch geeignete Wahl der Farbstoffmischung und -konzentration variiert werden.
Der anorganische Leuchtstoff YAG:Ce hat unter anderem den besonderen Vorteil, dass es sich hierbei um nicht lösliche Farbpigmente (Teilchengröße z. B. 10 µm) mit einem Brechungsindex von ca. 1,84 handelt. Dadurch tritt neben der Wellenlängenkonversion noch ein Streueffekt auf, der zu einer guten Vermischung von blauer Diodenstrahlung und gelber Konverterstrahlung führt.
Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind dem Lumineszenzkonversionselement oder einer anderen strahlungsdurchlässigen Komponente der Bauteilumhüllung zusätzlich lichtstreuende Partikel, sogenannte Diffusoren zugesetzt. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise der Farbeindruck und die Abstrahlcharakteristik des Halbleiterbauelements weiter optimieren.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Leuchteffizienz von weißleuchtenden erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen bzw. deren o. g. Ausführungsformen mit einem im Wesentlichen auf der Basis von GaN hergestellten blau leuchtenden Halbleiterkörper gegenüber der Leuchteffizienz einer Glühlampe erheblich erhöht ist. Der Grund dafür besteht darin, dass zum einen die externe Quantenausbeute derartiger Halbleiterkörper bei einigen Prozent liegt und andererseits die Lumineszenzausbeute von anorganischen Leuchtstoffen oft bei über 90% angesiedelt ist. Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement im Vergleich zur Glühlampe 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 Halbleiterbauelements gegenüber einem ohne Lumineszenzkonversionselement ausgestatteten, aber sonst identischen Halbleiterbauelement deutlich erhöht werden kann, da die Augenempfindlichkeit zu höherer Wellenlänge hin zunimmt. Es kann darüber hinaus auch ultraviolettes Licht in sichtbares Licht umgewandelt werden.
Das hier vorgestellte Konzept der Lumineszenzkonversion mit blauem Licht eines Halbleiterkörpers lässt sich in nicht erfindungsgemäßen Abwandlungen auch auf mehrstufige Lumineszenzkonversionselemente erweitern, nach dem Schema ultraviolett → blau → grün → gelb → rot. Hierbei werden mehrere unterschiedlich spektral selektiv emittierende Lumineszenzkonversionselemente relativ zum Halbleiterkörper hintereinander angeordnet.
Ebenso können vorteilhafterweise mehrere unterschiedlich spektral selektiv emittierende anorganische Leuchtstoffe gemeinsam in einen transparenten Kunststoff der Lumineszenzkonversionsschicht eingebettet sein. Hierdurch ist ein sehr breites Farbenspektrum erzeugbar.
Besonders vorteilhaft können erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung z. B. in vollfarbtauglichen LED-Anzeigevorrichtungen (Displays) oder zu Beleuchtungszwecken in Flugzeugen, Kraftfahrzeugen usw. eingesetzt werden.
Ein besonderer Vorteil von erfindungsgemäßen weißes Licht abstrahlenden Halbleiterbauelementen auf der Basis Ce-dotierter Phosphore, insbesondere Ce-dotierter Granate wie z. B. YAG:Ce als Leuchtstoff, besteht darin, dass diese Leuchtstoffe bei Anregung mit blauem Licht eine spektrale Verschiebung von ca. 100 nm zwischen Absorption und Emission bewirkt. Dies führt zu einer wesentlichen Reduktion der Reabsorption des vom Leuchtstoff emittierten Lichtes und damit zu einer höheren Lichtausbeute. Außerdem besitzen derartige anorganische Leuchtstoffe vorteilhafterweise im allgemeinen eine hohe thermische und photochemische (z. B. UV-)Stabilität (wesentlich höher als organische Leuchtstoffe), so daß auch Weiß leuchtende Dioden für Außenanwendung und/oder hohe Temperaturbereiche herstellbar sind.
Besonders vorteilhaft lassen sich erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente insbesondere aufgrund ihrer geringen Leistungsaufnahme in vollfarbtauglichen LED-Displays, zur Beleuchtung von Kfz-Innenräumen oder von Flugzeugkabinen sowie zur Beleuchtung von Anzeigevorrichtungen wie Kfz-Armaturen oder Flüssigkristallanzeigen verwenden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und nicht erfindungsgemäßen Abwandlungen in Verbindung mit den 1 bis 12. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine Abwandlung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
2 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
3 eine schematische Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
4 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
5 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
6 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
7 eine schematische Darstellung eines Emissionsspektrums eines blaues Licht abstrahlenden Halbleiterkörpers mit einer Schichtenfolge auf der Basis von GaN;
8 eine schematische Darstellung der Emissionsspektren von Abwandlungen von Halbleiterbauelementen, die weißes Licht abstrahlen;
9 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Halbleiterkörper, der blaues Licht aussendet;
10 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
11 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und
12 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche oder gleich wirkende Teile immer mit denselben Bezugszeichen versehen.
Bei der in 1 dargestellten nicht erfindungsgemäßen Abwandlung eines Licht aussendenden Halbleiterbauelement weist ein Halbleiterkörper 1, z. B. eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, einen Rückseitenkontakt 11, einen Vorderseitenkontakt 12 und eine sich aus einer Anzahl von unterschiedlichen Schichten zusammensetzende Schichtenfolge 7 auf, die mindestens eine eine Strahlung (z. B. ultraviolette, blaue oder grüne Strahlung) aussendende aktive Zone besitzt.
Ein Beispiel für eine geeignete Schichtenfolge 7 für diese und für sämtliche im Folgenden beschriebenen nicht erfindungsgemäßen Abwandlungen und Ausführungsbeispiele ist in 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 Ga_xAl_1-xN- oder Ga_xIn_1-xN-Schicht 21, einer weiteren n-leitenden GaN- oder Ga_xIn_1-xN-Schicht 22, einer p-leitenden Ga_xAl_1-xN- oder Ga_xIn_1-xN-Schicht 23 und einer p-leitenden GaN-Schicht 24 aufgebracht. Auf einer Hauptfläche 25 der p-leitenden GaN-Schicht 24 und einer Hauptfläche 26 des Substrats 18 ist jeweils eine Kontaktmetallisierung 27, 28 aufgebracht, die aus einem herkömmlich in der Halbleitertechnik für elektrische Kontakte verwendeten Werkstoff besteht.
Es kann jedoch auch jeder andere dem Fachmann für das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als geeignet erscheinende Halbleiterkörper verwendet werden. Dies gilt ebenso für sämtliche nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
In der nicht erfindungsgemäßen Abwandlung von 1 ist der Halbleiterkörper 1 mittels eines elektrisch leitenden Verbindungsmittels, z. B. ein metallisches Lot oder ein Klebstoff, mit seinem Rückseitenkontakt 11 auf einem ersten elektrischen Anschluss 2 befestigt. Der Vorderseitenkontakt 12 ist mittels eines Bonddrahtes 14 mit einem zweiten elektrischen Anschluss 3 verbunden.
Der Halbleiterkörper 1 und Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse 2 und 3 sind unmittelbar von einer Lumineszenzkonversionsumhüllung 5 umschlossen. Diese besteht beispielsweise aus einem für transparente Leuchtdiodenumhüllungen verwendbaren transparenten Kunststoff (z. B. Epoxidharz oder Polymethylmethacrylat) oder einem niedrig schmelzenden anorganischen Glas, dem ein anorganischer Leuchtstoff 6, z.B. Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ (YAG:Ce) für ein weißes Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement, beigemischt ist.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass der Halbleiterkörper 1 und Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse 2 und 3 anstatt von einer Lumineszenzkonversionsumhüllung von einer transparenten Umhüllung 15 umschlossen sind. Diese transparente Umhüllung 15 bewirkt keine Wellenlängenänderung einer von dem Halbleiterkörper 1 ausgesandten Strahlung und besteht beispielsweise aus einem in der Leuchtdiodentechnik herkömmlich verwendeten Epoxid-, Silikon- oder Acrylatharz oder aus einem anderen geeigneten strahlungsdurchlässigen Material wie z. B. anorganisches Glas.
Auf diese transparente Umhüllung 15 ist eine Lumineszenzkonversionsschicht 4 aufgebracht, die, wie in der 2 dargestellt, die gesamte Oberfläche der Umhüllung 15 bedeckt.
Ebenso denkbar ist, dass die Lumineszenzkonversionsschicht 4 nur einen Teilbereich dieser Oberfläche bedeckt. Die Lumineszenzkonversionsschicht 4 besteht beispielsweise wiederum aus einem transparenten Kunststoff (z. B. Epoxidharz, Lack oder Polymethylmethacrylat) oder aus einem anorganischen Glas, der bzw. das mit einem anorganischen Leuchtstoff 6 versetzt ist. Auch hier eignet sich als Leuchtstoff für ein weiß leuchtendes Halbleiterbauelement YAG:Ce.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den besonderen Vorteil, dass für die gesamte von dem Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung die Weglänge durch das Lumineszenzkonversionselement näherungsweise gleich groß ist. Dies spielt insbesondere dann eine bedeutende Rolle, wenn, wie oftmals der Fall, der genaue Farbton des von dem Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichtes von dieser Weglänge abhängt.
Zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der Lumineszenzkonversionsschicht 4 von 2 kann auf einer Seitenfläche des Bauelements eine linsenförmige Abdeckung 29 (gestrichelt eingezeichnet) vorgesehen sein, die eine Totalreflexion der Strahlung innerhalb der Lumineszenzkonversionsschicht 4 reduziert. Diese linsenförmige Abdeckung 29 kann aus transparentem Kunststoff oder Glas bestehen und auf die Lumineszenzkonversionsschicht 4 beispielsweise aufgeklebt sein.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite elektrische Anschluss 2, 3 in ein lichtundurchlässiges evtl. vorgefertigtes Grundgehäuse 8 mit einer Ausnehmung 9 eingebettet. Unter „vorgefertigt“ ist zu verstehen, dass das Grundgehäuse 8 bereits an den Anschlüssen 2, 3 beispielsweise mittels Spritzguss fertig ausgebildet ist, bevor der Halbleiterkörper auf den ersten Anschluss 2 montiert wird. Das Grundgehäuse 8 besteht beispielsweise aus einem lichtundurchlässigen Kunststoff und die Ausnehmung 9 ist als Reflektor 17 (ggf. durch geeignete Beschichtung der Innenwände der Ausnehmung 9) ausgebildet. Solche Grundgehäuse 8 werden 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 Grundgehäuse 8 befestigte Abdeckplatte 17 aus Kunststoff, abgedeckt. Die Ausnehmung 9 kann sowohl mit einem transparenten Kunststoff, mit einem anorganischen Glas oder mit Gas gefüllt als auch mit einem Vakuum versehen sein.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 kann auch hier zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der Lumineszenzkonversionsschicht 4 auf dieser eine linsenförmige Abdeckung 29 (gestrichelt eingezeichnet) vorgesehen sein, die eine Totalreflexion der Strahlung innerhalb der Lumineszenzkonversionsschicht 4 reduziert. Diese Abdeckung 29 kann wiederum aus transparentem Kunststoff oder aus anorganischem Glas bestehen und auf die Lumineszenzkonversionsschicht 4 beispielsweise aufgeklebt sein.
Die Ausnehmung 9 ist, wie in der nicht erfindungsgemäßen Abwandlung der 10 gezeigt, mit einem mit einem anorganischen Leuchtstoff 6 versehenen Kunststoff oder Glas, d. h. mit einer Lumineszenzumhüllung 5 gefüllt, die das Lumineszenzkonversionselement bildet. Eine Abdeckplatte 17 und/oder eine linsenförmige Abdeckung 29 kann dann auch weggelassen sein. Weiterhin ist optional, wie in der nicht erfindungsgemäßen Abwandlung der 11 dargestellt, der erste elektrische Anschluss 2 z. B. durch Prägen im Bereich des Halbleiterkörpers 1 als Reflektorwanne 34 ausgebildet, die mit einer Lumineszenzkonversionsumhüllung 5 gefüllt ist.
In 4 ist als weitere nicht erfindungsgemäße Abwandlung eine sogenannte Radialdiode dargestellt. Hierbei ist der Halbleiterkörper 1 in einem als Reflektor ausgebildeten Teil 16 des ersten elektrischen Anschlusses 2 beispielsweise mittels Löten oder Kleben befestigt. Auch derartige Gehäusebauformen sind aus der Leuchtdiodentechnik wohlbekannt und bedürfen von daher keiner näheren Erläuterung.
Bei der nicht erfindungsgemäßen Abwandlung von 4 ist der Halbleiterkörper 1 von einer transparenten Umhüllung 15 umgeben, die wie beim Ausführungsbeispiel der 2 keine Wellenlängenänderung der von dem Halbleiterkörper 1 ausgesandten Strahlung bewirkt und beispielsweise aus einem herkömmlich in der Leuchtdiodentechnik verwendeten transparenten Epoxidharz oder aus einem anorganischen Glas bestehen kann.
Auf dieser transparenten Umhüllung 15 ist eine Lumineszenzkonversionsschicht 4 aufgebracht. Als Material hierfür kommen beispielsweise wiederum die im Zusammenhang mit den vorgenannten Ausführungsbeispielen angeführten Kunststoffe oder anorganisches Glas in Verbindung mit den oben genannten Leuchtstoffen in Frage.
Der gesamte Aufbau, bestehend aus Halbleiterkörper 1, Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse 2, 3, transparente Umhüllung 15 und Lumineszenzkonversionsschicht 4, ist von einer weiteren transparenten Umhüllung 10 umschlossen, die keine Wellenlängenänderung der durch die Lumineszenzkonversionsschicht 4 hindurchgetretenen Strahlung bewirkt. Sie besteht beispielsweise wiederum aus einem herkömmlich in der Leuchtdiodentechnik verwendeten transparenten Epoxidharz oder aus Glas.
Die in 5 gezeigte nicht erfindungsgemäße Abwandlung unterscheidet sich von der nicht erfindungsgemäßen Abwandlung in 4 insbesondere dadurch, dass die freien Oberflächen des Halbleiterkörpers 1 unmittelbar von einer Lumineszenzkonversionsumhüllung 5 bedeckt sind, die wiederum von einer weiteren transparenten Umhüllung 10 umgeben ist. In 5 ist weiterhin beispielhaft ein Halbleiterkörper 1 dargestellt, bei dem anstelle des Rückseitenkontaktes 11 ein weiterer Kontakt auf der Halbleiterschichtenfolge 7 angebracht ist, der mittels eines zweiten Bonddrahtes 14 mit dem zugehörigen elektrischen Anschluss 2 oder 3 verbunden ist. Selbstverständlich sind derartige Halbleiterkörper 1 auch bei allen anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen einsetzbar. Umgekehrt ist natürlich auch bei der nicht erfindungsgemäßen Abwandlung von 5 ein Halbleiterkörper 1 gemäß den vorgenannten Ausführungsbeispielen und nicht erfindungsgemäßen Abwandlungen verwendbar.
Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich auch bei der Bauform nach 5 analog zu der nicht erfindungsgemäßen Abwandlung nach 1 eine einstückige Lumineszenzkonversionsumhüllung 5, die dann an die Stelle der Kombination aus Lumineszenzkonversionsumhüllung 5 und weiterer transparenter Umhüllung 10 tritt, verwendet sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 6 ist eine Lumineszenzkonversionsschicht 4 direkt auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht. Dieser und Teilbereiche der elektrischen Anschlüsse 2, 3 sind von einer weiteren transparenten Umhüllung 10 umschlossen, die keine Wellenlängenänderung der durch die Lumineszenzkonversionsschicht 4 hindurchgetretenen Strahlung bewirkt und beispielsweise aus einem in der Leuchtdiodentechnik verwendbaren transparenten Epoxidharz oder aus Glas gefertigt ist.
Solche, mit einer Lumineszenzkonversionsschicht 4 versehenen Halbleiterkörper 1 ohne Umhüllung können natürlich vorteilhafterweise in sämtlichen aus der Leuchtdiodentechnik bekannten Gehäusebauformen (z. B. SMD-Gehäuse, Radial-Gehäuse (man vergleiche 5)) verwendet sein.
Bei der in 12 dargestellten nicht erfindungsgemäßen Abwandlung ist auf dem Halbleiterkörper 1 ein transparentes Wannenteil 35 angeordnet, das über dem Halbleiterkörper 1 eine Wanne 36 aufweist. Das Wannenteil 35 besteht beispielsweise aus transparentem Epoxidharz oder aus anorganischem Glas und ist z. B. mittels Umspritzen der elektrischen Anschlüsse 2, 3 einschließlich Halbleiterkörper 1 gefertigt. In dieser Wanne 36 ist eine Lumineszenzkonversionsschicht 4 angeordnet, die z. B. wiederum aus Epoxidharz oder anorganischem Glas gefertigt ist, in das Partikel 37, bestehend aus einem der o. g. anorganischen Leuchtstoffe, eingebunden sind. Bei dieser Bauform wird vorteilhafterweise auf sehr einfache Weise sichergestellt, dass sich der Leuchtstoff während der Herstellung des Halbleiterbauelements an nicht vorgesehenen Stellen, z. B. neben dem Halbleiterkörper, ansammelt. Das Wannenteil 35 kann selbstverständlicherweise auch separat hergestellt und anderweitig, z. B. an einem Gehäuseteil, über dem Halbleiterkörper 1 befestigt sein.
Bei sämtlichen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kann zur Optimierung des Farbeindrucks des abgestrahlten Lichts sowie zur Anpassung der Abstrahlcharakteristik die Lumineszenzkonversionsschicht, ggf. die transparente Umhüllung 15, und/oder ggf. die weitere transparente Umhüllung 10 lichtstreuende Partikel, sogenannte Diffusoren aufweisen. Beispiele für derartige Diffusoren sind mineralische Füllstoffe, insbesondere CaF₂, TiO₂, SiO₂, CaCO₃ oder BaSO₄ oder auch organische Pigmente. In den 7 und 8 sind Emissionsspektren eines blaues Licht abstrahlenden Halbleiterkörpers (7) (Lumineszenz-maximum bei λ ~ 430 nm) bzw. von Weiß leuchtenden Halbleiterbauelementen (8) gezeigt, die mittels solcher Halbleiterkörper hergestellt sind. An der Abszisse ist die Wellenlänge λ in nm und an der Ordinate ist eine relative Intensität der ausgesandten Strahlung aufgetragen.
Von der vom Halbeiterkörper ausgesandten Strahlung nach 7 wird nur ein Teil in einen längerwelligen Wellenlängenbereich konvertiert, so dass als Mischfarbe weißes Licht entsteht. Die verschiedenartig gestrichelten Linien 30 bis 33 von 8 stellen Emissionsspektren von Halbleiterbauelementen in Form von Radialdioden dar, bei denen das Lumineszenzkonversionselement, in diesem Fall eine Lumineszenzkonversionsumhüllung aus Epoxidharz, unterschiedliche YAG:Ce-Konzentrationen aufweist. Jedes Emissionsspektrum weist zwischen λ = 420 nm und λ = 430 nm, also im blauen Spektralbereich, und zwischen λ = 520 nm und λ = 545 nm, also im grünen Spektralbereich, jeweils ein Intensitätsmaximum auf, wobei die Emissionsbanden mit dem längerwelligen Intensitätsmaximum zu einem großen Teil im gelben Spektralbereich liegen. Das Diagramm von 8 verdeutlicht, dass bei dem Halbleiterbauelement auf einfache Weise durch Veränderung der Leuchtstoffkonzentration im Epoxidharz der CIE-Farbort des weißen Lichtes verändert werden kann.
Weiterhin ist es möglich, anorganische Leuchtstoffe auf Basis von Ce-dotierten Granaten, Thiogallaten, Erdalkali-Sulfiden und Aluminaten direkt auf den Halbleiterkörper aufzubringen, ohne sie in Epoxidharz oder Glas zu dispergieren.
Ein weiterer besonderer Vorteil der oben genannten anorganischen Leuchtstoffe ergibt sich daraus, dass die Leuchtstoffkonzentration nicht wie bei organischen Farbstoffen durch die Löslichkeit begrenzt wird. Dadurch sind keine großen Dicken von Lumineszenzkonversionselementen nötig.

Claims

Weißes Licht abstrahlendes Bauelement mit – einem blaues Licht aussendenden Halbleiterkörper (1), der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs mit einem Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 420 nm und 460 nm aussendet, und – einem Lumineszenzkonversionselement (4), das einen lumineszierenden Leuchtstoff aufweist, der einen Teil der vom Halbleiterkörper (1) ausgesandten Strahlung absorbiert und sichtbares Licht eines längerwelligen zweiten Wellenlängenbereichs emittiert, wobei das Lumineszenzkonversionselement (4) – als Lumineszenzkonversionsschicht (4) mit einer durchweg konstanten Dicke geformt ist, – Partikel (6) mehrerer unterschiedlich spektral emittierender anorganischer Leuchtstoffe enthält, die in ein Silikonmaterial eingebettet sind, wobei sich die Partikel (6) in dem Silikonmaterial nicht lösen und wobei die Partikel (6) und das Silikonmaterial voneinander verschiedene Brechungsindizes aufweisen, – als einen der Leuchtstoffe YAG:Ce enthält, sodass nur ein Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umgewandelt wird, – sowohl für die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs als auch für die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise durchlässig ist, – zumindest zum Teil dem Halbleiterkörper (1) in Abstrahlrichtung des Bauelements nachgeordnet ist, und – von dem Halbleiterkörper (1) abgestrahltes sichtbares Licht des ersten Wellenlängenbereichs mit lumineszenzkonvertiertem sichtbarem Licht des zweiten Wellenlängenbereichs mischt.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Leuchtstoffe einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der mit Seltenen Erden dotierten Erdalkali-Sulfide, mit Seltenen Erden dotierten Thiogallate, mit Seltenen Erden dotierten Aluminate und mit Seltenen Erden dotierten Orthosilikate aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sichtbares Licht zueinander komplementärer Farben aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzkonversionsschicht (4) direkt auf dem Halbleiterkörper (1) aufgebracht ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) in einer Ausnehmung (9) eines Grundgehäuses (8) angeordnet ist und die Ausnehmung (9) mit einer die Lumineszenzkonversionsschicht (4) aufweisenden Abdeckschicht (17) versehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des anorganischen Leuchtstoffes (6) unmittelbar auf dem Halbleiterkörper (1) aufgebracht ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) von einer transparenten Umhüllung (15) umgeben ist und dass auf der transparenten Umhüllung (15) das Lumineszenzkonversionselement (4) aufgebracht ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf oder über einem Teil der Oberfläche des Lumineszenzkonversionselements (4) eine transparente Umhüllung (10) vorgesehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzkonversionselement (4) zusätzlich lichtstreuende Partikel aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzkonversionselement (4) zusätzlich mit mindestens einem im Blauen lumineszierenden Lumineszenzfarbstoff versehen ist.
Verwendung einer Mehrzahl von Bauelementen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer vollfarbtauglichen LED-Anzeigevorrichtung.
Verwendung einer Mehrzahl von Bauelementen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Beleuchtung von Flugzeug- oder Fahrzeuginnenräumen.
Verwendung eines Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Beleuchtung von Anzeigevorrichtungen.