EP1925035A1 - Optoelektronisches bauelement - Google Patents

Optoelektronisches bauelement

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Publication number
EP1925035A1
EP1925035A1 EP06775911A EP06775911A EP1925035A1 EP 1925035 A1 EP1925035 A1 EP 1925035A1 EP 06775911 A EP06775911 A EP 06775911A EP 06775911 A EP06775911 A EP 06775911A EP 1925035 A1 EP1925035 A1 EP 1925035A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wavelength
radiation
wavelength conversion
optoelectronic component
conversion substance
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.)
Withdrawn
Application number
EP06775911A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bert Braune
Herbert Brunner
Kirstin Petersen
Jörg Strauss
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
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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 filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1925035A1 publication Critical patent/EP1925035A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8515—Wavelength conversion means not being in contact with the bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/855—Optical field-shaping means, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic component with wavelength conversion materials.
  • Such an optoelectronic component comprises a semiconductor body which emits electromagnetic radiation during operation and wavelength conversion materials which are introduced into a cladding of the semiconductor body or arranged in a layer on the semiconductor body.
  • Wavelength conversion materials convert part of the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor body into radiation of a different, generally longer wavelength, such that the component emits mixed radiation.
  • the radiation-emitting semiconductor body it is also possible for the radiation-emitting semiconductor body to arrange several layers with different wavelength conversion materials, so that different portions of the radiation emitted by the radiation-emitting body are converted by means of different wavelength conversion layers into radiation of different spectral ranges.
  • An object of the present invention is to provide an optoelectronic device with
  • a further object of the present invention is to provide an optoelectronic component with a wavelength conversion substance, which has a high efficiency and at the same time good color rendering.
  • An optoelectronic component with high efficiency comprises in particular:
  • the optical element comprises at least one first wavelength conversion substance which converts radiation of the first wavelength into radiation of a second wavelength different from the first wavelength.
  • Spaced means in the present context, in particular, that the optical element in a predetermined manner spatially separated from the semiconductor body is arranged, wherein between the semiconductor body and the optical element, a defined gap is formed, which is free of wavelength conversion substance.
  • the first wavelength conversion substance is included in the optical element spaced from the radiation-emitting semiconductor body, the first wavelength conversion substance is also spaced from the radiation-generating semiconductor body.
  • the efficiency of the component is advantageously increased.
  • Wavelength conversion substance to be introduced into the optical element which serves the beam shaping and essentially determines the emission characteristics of the device, since as a rule, not only an increased, but also a particularly homogeneous radiation characteristic is achieved.
  • the wavelength conversion substance comprises particles and the optical element comprises a matrix material in which the particles are embedded. Since the radiation emitted from the semiconductor body, as well as the radiation converted by the wavelength conversion substance is usually scattered on the particles and since the wavelength conversion substance emits radiation in arbitrary directions, increases
  • Wavelength conversion material comprising particles, as a rule, the homogeneity of the radiation of the Component. Furthermore, the arrangement of the particles of the first wavelength conversion substance spaced apart from the semiconductor body in a separate optical element having a certain geometry offers the advantage that less radiation, in particular converted radiation, is deflected back into the semiconductor body by scattering on the particles and absorbed there than is the case when the wavelength conversion substance is contained in a wavelength conversion element directly adjacent to the semiconductor body, such as a layer or cladding.
  • the first wavelength is from the ultraviolet, blue and / or green spectral range. Since wavelength conversion materials typically convert radiation into larger wavelength radiation, wavelengths from the short wavelength end of the visible and ultraviolet spectral regions are particularly suited to be used in conjunction with wavelength conversion materials.
  • a semiconductor body which emits ultraviolet, blue and / or green radiation preferably comprises an active layer sequence which is suitable for emitting electromagnetic radiation of the respective spectral range and which consists of a compound semiconductor material based on nitride or phosphide.
  • Compound semiconductor material based on nitride in the present context means that the active layer sequence or at least a part thereof, a nitride-III compound semiconductor material, preferably comprises Al n Ga m inn nm N, where 0 ⁇ n ⁇ 1, O ⁇ m ⁇ l and n + m ⁇ 1.
  • this material does not necessarily have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may contain one or more dopants and additional ingredients include, the characteristic physical properties of Al n Ga m ini- n - not change ⁇ v N-material substantially.
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • Compound semiconductor material that is based on phosphide means in this context equivalent to that the active layer sequence or at least part thereof, a phosphide III compound semiconductor material, preferably Al n Ga m ini- n - m P where 0 ⁇ n ⁇ 1 , O ⁇ m ⁇ l and n + m ⁇ 1.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but instead it may contain one or more dopants and additional constituents which have the characteristic physical properties of Al n Ga m Ini_ nm substantially does not change P-material, but for the sake of simplicity, the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, In, P), even though these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the active layer sequence of the semiconductor body has, for example, grown epitaxially and preferably comprises a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or particularly preferably a multiple quantum well structure (MQW) for radiation generation.
  • the term quantum well structure does not contain any information about the dimensionality of the quantization. she - S -
  • Quantum wells thus includes u.a. Quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • a semiconductor body e.g. a light-emitting diode chip ("LED chip” for short) or a thin-film light-emitting diode chip (“thin-film LED chip” for short) can be used.
  • LED chip light-emitting diode chip
  • thin-film LED chip thin-film LED chip
  • other radiation-generating semiconductor bodies such as laser diodes, are also suitable for use in the device.
  • a thin-film light-emitting diode chip is characterized in particular by at least one of the following characteristic features: on a first main surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence facing a carrier element, a reflective layer is applied or formed which forms at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence this reflects back; and the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 10 ⁇ m.
  • the epitaxial layer sequence preferably contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, i. it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • a basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is described, for example, in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18 October 1993, 2174 - 2176, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
  • a thin-film light-emitting diode chip is to a good approximation a Lambertian surface radiator and is therefore particularly suitable for use in an optical system, such as a headlight.
  • the component preferably emits mixed polychromatic radiation which comprises radiation of the first wavelength and radiation of the second wavelength.
  • the color location of the mixed radiation in the white area of the CIE standard color chart is particularly preferred in this case by selecting and concentrating the wavelength conversion substance components whose color locus is within wide ranges can be adjusted.
  • a semiconductor body which emits radiation of the blue spectral range, in conjunction with a wavelength conversion substance which converts this blue radiation into yellow radiation.
  • a wavelength conversion substance which converts this blue radiation into yellow radiation.
  • Such measures may be, for example, absorber particles or reflective elements which are arranged downstream of the first wavelength conversion substance in the emission direction of the semiconductor body and which absorb the unwanted short-wave radiation or reflect it back to the wavelength conversion substance.
  • a component can emit mixed polychromatic radiation even in the event that the semiconductor body emits only non-visible radiation.
  • at least two different wavelength conversion materials are used, which convert incident radiation into different wavelengths. If the semiconductor body emits only non-visible radiation, then this embodiment is particularly advantageous over the conversion of the non-visible radiation into only a second wavelength.
  • the component comprises a plurality of wavelength conversion materials, then measures which are intended to prevent the component from emitting short-wave radiation are preferably arranged downstream of all wavelength conversion substances in the emission direction of the semiconductor body.
  • the semiconductor body is provided with a cladding which is permeable to the radiation which the component emits.
  • the semiconductor body may in this case be arranged in a recess of a component housing, such as a reflector trough.
  • the semiconductor body can also be mounted on a printed circuit board or on a cooling element of a printed circuit board.
  • the envelope serves on the one hand to protect the semiconductor body.
  • the sheath is preferably arranged such that it fills the gap between the optical element and the semiconductor body and therefore reduces refractive index jumps on the path of the radiation from the semiconductor body to the optical element and thus radiation losses due to reflection at interfaces advantageously be reduced.
  • the sheath preferably contains a matrix material which comprises a silicone material, an epoxy material, a hybrid material or a refractive index-adapted material.
  • a refractive index-adapted material is understood as meaning a material whose refractive index lies between the refractive indices of the adjoining materials, in the present context therefore between the refractive index of the semiconductor body and the refractive index of the matrix material of the optical element.
  • the cladding comprises at least one second wavelength conversion substance different from the first.
  • Wavelength conversion material preferably converts the radiation of the first wavelength into radiation of a third wavelength different from the first wavelength and from the second wavelength, such that the component emits mixed radiation of the second wavelength, the third wavelength and possibly the first wavelength.
  • the spatially separated arrangement of the first wavelength conversion substance and the second wavelength conversion substance in particular the absorption of already converted by one of the wavelength conversion radiation the other wavelength conversion material is reduced. This danger exists in particular when the one wavelength conversion substance converts the radiation into a wavelength which is close to the excitation wavelength of the other wavelength conversion substance.
  • the described arrangement and spatial separation of the two wavelength conversion materials increases the efficiency of the component and the homogeneity of the color impression and the reproducibility of these parameters in mass production.
  • a semiconductor body that emits only non-visible radiation from the ultraviolet range is particularly suitable for this embodiment of the optoelectronic component.
  • a part of the radiation emitted by the semiconductor body is preferably converted by the second wavelength conversion substance in the cladding into radiation of the third wavelength.
  • Another part and possibly the remaining part of the radiation emitted by the semiconductor body radiation, which accordingly passes through the envelope unconverted, is converted by the first wavelength conversion substance in the optical element into radiation of the second wavelength, so that the device polychromatic mixed radiation of radiation of the second and the third wavelength.
  • the second wavelength conversion substance preferably comprises particles which are embedded in the matrix material of the sheath.
  • the semiconductor body and the two wavelength conversion substances are preferably matched to one another such that the radiation of the first wavelength from the blue spectral region and the second wavelength conversion substance converts a portion of this blue radiation into red radiation and the first wavelength conversion material converts a further portion of the remaining blue radiation into green radiation, so that the device emits mixed white radiation with red, green and blue components.
  • the color location of the white mixed radiation can be particularly well adapted to a desired value.
  • a coupling layer is arranged between the cladding and the optical element, which comprises a refractive index-adapted material whose refractive index is between the refractive index of the cladding and the refractive index of the matrix material of the optical element, so that radiation losses due to reflections the interfaces are advantageously reduced.
  • the coupling layer can also serve for the mechanical connection of the sheath and the optical element.
  • Wavelength conversion substance in the sheath may further be applied to the semiconductor body, a wavelength conversion layer, the at least one of the first and possibly. from the second different third wavelength conversion substance.
  • This third wavelength conversion substance preferably converts the radiation of the first wavelength into radiation of a fourth wavelength such that the component emits mixed radiation of the third, the fourth, possibly the second and possibly the first wavelength. If the wavelength conversion layer on the semiconductor body is used as an alternative to the second wavelength conversion substance in the cladding, in turn the semiconductor body and the two wavelength conversion substances are matched to one another such that the radiation of the first wavelength originates from the blue spectral range, the third one
  • Wavelength conversion substance converts a portion of this radiation into red radiation and the first wavelength conversion material converts a further portion of the remaining radiation into green radiation, so that the device emits mixed white radiation with red, green and blue components.
  • the wavelength conversion layer does not necessarily have to be arranged on the semiconductor body. Rather, a wavelength conversion layer can also be arranged between the cladding and the optical element. Furthermore, it is possible for the component to have not just one wavelength conversion layer but a plurality of wavelength conversion layers, preferably each with different wavelength conversion materials.
  • the wavelength conversion layer is used in addition to the second wavelength conversion substance in the cladding so that a total of at least three different wavelength conversion substances are used in the component, a semiconductor body which emits non-visible radiation from the ultraviolet spectral range is preferably used. A portion of the non-visible radiation of the semiconductor body is then, preferably by the third wavelength conversion substance of Wavelength conversion layer on the semiconductor body converted into radiation of the red spectral region, while another part of the non-visible radiation emitted by the semiconductor body, the wavelength conversion layer passes unconverted and another part of this unconverted radiation from the second
  • Wavelength conversion material in the cladding is converted into radiation of the green spectral range.
  • Another part of the non-visible radiation goes unconverted through the cladding.
  • the last part of the non-visible radiation, which passes through the envelope unconverted is then, preferably completely, converted into blue radiation, so that the device mixed radiation from the red, the green and the blue spectral region with a color in the white area of the CIE standard color chart sends out.
  • other spectral regions in which radiation of the semiconductor body is respectively converted are also conceivable.
  • Wavelength conversion materials in conjunction with a semiconductor body which emits radiation from the visible spectral range can be useful, for example, if a particular color locus of the mixed radiation emitted by the component is desired.
  • the thickness of the wavelength conversion layer is constant, since then the path length of the radiation within the wavelength conversion layer becomes uniform. This advantageously leads to a homogenization of the color impression of the optoelectronic component.
  • the wavelength conversion layer again preferably comprises a matrix material and the third wavelength conversion substance comprises particles which are embedded in the matrix material.
  • the matrix material of the wavelength conversion layer typically comprises a transparent curable polymer, such as e.g. an epoxy, an acrylate, a polyester, a polyimide, a polyurethane or even a chlorine-containing polymer, such as a polyvinyl chloride or consist of such.
  • a transparent curable polymer such as e.g. an epoxy, an acrylate, a polyester, a polyimide, a polyurethane or even a chlorine-containing polymer, such as a polyvinyl chloride or consist of such.
  • silicones and hybrid materials which as a rule are mixed forms of silicones, epoxides and acrylates, are also suitable for use as matrix material.
  • polymers are suitable as matrix material containing polysiloxane chains.
  • wavelength conversion materials When using a plurality of spatially mutually separated wavelength conversion materials, they are preferably arranged so that the wavelength in which the radiation of the first wavelength is converted by the respective wavelength conversion substance, as seen from the semiconductor body in its emission direction is shorter than the wavelength in which the with respect to the emission direction of the semiconductor chip preceding wavelength conversion substance converts the radiation of the first wavelength.
  • the absorption of already converted radiation by a downstream in the emission direction of the semiconductor chip wavelength conversion substance is particularly effectively avoided.
  • the first, second, and third wavelength conversion materials are selected from the group consisting of rare earth doped garnets, rare earth doped alkaline earth sulfides, rare earth doped thiogalates, and rare metals Earth doped aluminates, rare earth doped orthosilicates, rare earth doped chlorosilicates, rare earth doped alkaline earth silicon nitrides, rare earth doped oxynitrides, and rare earth doped aluminum oxynitrides.
  • YAG: Ce Ce-doped YAG wavelength conversion substance
  • the optical element is a lens, particularly preferably a convex lens.
  • the optical element serves to form the emission characteristic of the optoelectronic component in a desired manner.
  • Spherical lenses or aspherical lenses, for example elliptical lenses, can be used for this purpose.
  • other optical elements are used for beam shaping, such as a solid body which is pyramidal or frusto-conical or in the manner of a composite parabolic concentrator, a composite elliptical concentrator or a composite hyperbolic concentrator.
  • the optical element comprises, for example, as the matrix material for the particles of the wavelength conversion substance a material selected from the group consisting of glass, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cyclic olefins (COC), silicones and polyacrylic ester imide (PMMI).
  • a material selected from the group consisting of glass, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cyclic olefins (COC), silicones and polyacrylic ester imide (PMMI).
  • Wavelength conversion substance substantially homogeneously distributed in the matrix material of the optical element and / or the matrix material of the sheath and / or the matrix material of the wavelength conversion layer.
  • a substantially homogeneous distribution of the wavelength conversion substance advantageously leads, as a rule, to a very homogeneous emission characteristic and to a very homogeneous color impression of the optoelectronic component.
  • substantially homogeneous in the present context means that the particles of the
  • Wavelength conversion substance are distributed as evenly in the respective matrix material, as is possible and useful in the context of technical feasibility. In particular, it means that the particles are not agglomerated.
  • the matrix material of the optical element and / or the matrix material of the sheath and / or the matrix material of the wavelength conversion layer comprises light-scattering particles. These can advantageously the emission characteristics Homogenize or affect the optical properties of the component in the desired manner.
  • the semiconductor body generally emits not radiation of a single first wavelength, but radiation of several different first wavelengths, which are preferably comprised by a common first wavelength range.
  • the first, second or third wavelength conversion material converts radiation of at least a single first wavelength into radiation of at least one further, second, third or fourth wavelength.
  • the first, second or third wavelength conversion substance converts radiation of a plurality of first wavelengths, which are preferably encompassed by a first wavelength range, into radiation of a plurality of further, second, third or fourth wavelengths, which in turn preferably of a further common second, third or fourth Wavelength range are included.
  • FIG. 1A a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 1B a schematic sectional view through a component housing for the optoelectronic component according to FIG. 1A, Figures 2 to 5, a schematic sectional view of optoelectronic components according to four further embodiments, and
  • Figure 6 a schematic exploded view of an optoelectronic component according to another embodiment.
  • the optoelectronic component according to the exemplary embodiment of FIG. 1A comprises a component housing 1 with a recess 2 into which a light-emitting diode chip 3 is mounted on a chip mounting region 4.
  • the "front side" of the light-emitting diode chip and of the optoelectronic component is in each case the radiation-emitting side and referred to as the "back side", in each case the side opposite the front side.
  • the component housing 1 has a main body 5 and a lead frame 6.
  • the lead frame 6 comprises a thermal connection part 61 and two swing-shaped electrical connection parts 62, 63, which protrude laterally from the main body 5.
  • the thermal connection part 61 is also electrically conductive and forms the bottom surface of the chip mounting region 4.
  • the one electrical connection part 62 is connected to the thermal Connection part 61 is electrically conductively connected, while the other electrical connection part 63 is electrically conductively connected to a wire connection region 7 of the base body 5.
  • the light-emitting diode chip 3 is electrically conductively connected to the thermally conductive connection part 61 during assembly on the chip mounting region 4, and electrically contacted with the wire connection region 7 in a further assembly step on the front side with the aid of a bonding wire (not shown).
  • the recess 2, in which the LED chip 3 is mounted formed as a reflector trough, which serves the beam shaping.
  • a suitable component housing 1 is described in the document WO 02/084749 A2, the disclosure of which is incorporated herein by reference.
  • the semiconductor chip is a light-emitting diode chip 3 based on gallium nitride, which emits electromagnetic radiation of a first wavelength, for example in the blue spectral range.
  • the recess 2 of the component housing 1, in which the LED chip 3 is mounted is filled with a sheath 8, e.g. a silicone composition as matrix material 81.
  • the envelope 8 is followed by a separately manufactured lens 9 in the emission direction of the LED chip 3, which is mounted on the base body 5 of the component housing 1.
  • the lens 9 comprises polycarbonate as matrix material 91.
  • silicones, PAAI or polyurethane (PU) are also suitable as matrix material 91 of the lens 9.
  • the lens 9 comprises particles of a first inside
  • the particles of the first wavelength conversion substance 10 are in this case substantially homogeneous and not agglomerated distributed in the matrix material of the lens 9.
  • YAG: Ce can be used as the first wavelength conversion substance 10.
  • the spaced arrangement of the first wavelength conversion substance 10 in the optical element 9 also advantageously increases the backscattering of converted radiation on the particles of the first wavelength conversion substance 10 to the recess 2 formed as a reflector trough, thereby increasing the efficiency of the component.
  • a coupling layer 11 is arranged between the lens 9 and the cladding 8 or the base body 5 of the component housing 1. Furthermore, a second wavelength conversion substance 12 is embedded in the matrix material 81 of the transparent envelope 8 of the light-emitting diode chip 3, which fills the recess 2 of the base body 5.
  • the coupling layer 11 comprises a silicone-based material and has a refractive index between 1.4 and 1.5.
  • the coupling layer 11 in the present case also has the task of the lens 9 on the cladding 8 or mechanically fix the main body 5 of the component housing 1.
  • the first wavelength conversion substance 10 of FIG. 2 converts part of the blue radiation of the light-emitting diode chip 3 into radiation of a second wavelength, for example in the green spectral range, while the second wavelength conversion substance 12 forms part of the radiation of the LED chip 3 with a first wavelength from the blue spectral range into radiation of a third wavelength, for example from the red spectral range, converts.
  • the component according to FIG. 2 emits polychromatic mixed radiation which comprises red radiation converted by the second wavelength conversion substance 12, green radiation converted by the first wavelength conversion substance 10 and unconverted blue radiation of the light-emitting diode chip 3. The color location of this mixed radiation is in the white area of the CIE standard color chart.
  • a first wavelength conversion substance 10 which is suitable for converting part of the blue radiation into radiation from the green spectral range, it is possible, for example, to use a green-emitting Eu-doped nitride, while the second
  • Wavelength conversion substance 12 which is suitable for converting part of the blue radiation into radiation from the red spectral region, a red-emitting Eu-doped nitride can be used.
  • the first wavelength conversion substance 10 is substantially homogeneously distributed in the matrix material 91 of the lens 9.
  • the first wavelength conversion substance 10 converts the radiation of the first wavelength of the light emitting diode chip 3 from the blue spectral region partially radiation of a second wavelength, such as from the green Spectral range around.
  • a wavelength conversion layer 13 is applied, which comprises a matrix material 131, in which a third wavelength conversion substance 14 is embedded.
  • the third wavelength conversion substance 14 converts a further part of the radiation of the first wavelength emitted by the light-emitting diode chip 3 from the blue spectral range into radiation of a fourth wavelength, for example from the red spectral range.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 13 with the third wavelength conversion substance 14 is substantially constant in the present case, so that the path length of the blue radiation in the wavelength conversion layer 13 is substantially constant and the proportion of the radiation converted by the third wavelength conversion substance 14 does not depend on the position of the converting particles in the wavelength converter Wavelength conversion layer 13 depends. This contributes to a homogeneous color impression of the component.
  • the component according to FIG. 3 emits mixed radiation with blue, red and green spectral components whose color locus lies in the white region of the CIE standard color chart.
  • a light-emitting diode chip 3 which emits radiation of a first wavelength from the ultraviolet spectral range. Furthermore, in this device, three wavelength conversion materials 10, 12, 14 are used, each of which converts a portion of this ultraviolet radiation into another spectral range of visible light. The first
  • Wavelength conversion material 10 is in turn substantially homogeneously distributed in the matrix material 91 of the lens 9 and converts a portion of the ultraviolet radiation into radiation of a first wavelength from the visible blue spectral range.
  • the second wavelength conversion substance 12, which is also substantially homogeneously distributed, contained in the matrix material 81 of the cladding 8 converts another portion of the ultraviolet radiation of the LED chip 3 into radiation of a third wavelength, such as from the visible green spectral range.
  • the remaining part of the ultraviolet radiation emitted by the light-emitting diode chip 3 is converted into radiation of a fourth wavelength from the visible red spectral range by a third wavelength conversion substance 14, which is located in a wavelength conversion layer 13 on the light-emitting diode chip 3.
  • a third wavelength conversion substance 14 which is located in a wavelength conversion layer 13 on the light-emitting diode chip 3.
  • the component emits mixed white radiation comprising red, green and blue spectral components.
  • the radiation of the light-emitting diode chip 3 is, however, ideally completely converted by the wavelength conversion substances 10, 12, 14 into visible light.
  • the first wavelength conversion substance 10 capable of converting a portion of the ultraviolet radiation into blue spectrum radiation for example, barium magnesium aluminate may be used, while as the second wavelength conversion material 12 suitable, a portion of the ultraviolet radiation may be irradiated from the green spectral region, a green emitting Eu-doped nitride can be used.
  • the third wavelength conversion substance 14 which is suitable for converting radiation from the ultraviolet spectral range into radiation from the red spectral range, it is possible, for example, to use a red-emitting Eu-doped nitride.
  • the component comprises, in addition to a first wavelength conversion substance 10 which is contained in the lens 9, two further wavelength conversion substances 12 (referred to below as second wavelength conversion substances) which are present in a first and a second wavelength conversion layer 13 between the envelope 8 of the light-emitting diode chip 3 and the lens 9 are arranged.
  • the LED chip 3 is suitable in this embodiment to emit radiation of a first wavelength from the blue spectral range.
  • the second wavelength conversion substance 12 of the first wavelength conversion layer 13, which is arranged on the cladding 8 of the light-emitting diode chip 3, converts radiation of the first wavelength generated by the light-emitting diode chip 3 from the blue spectral range into radiation of a fourth wavelength from the red spectral range. A portion of the light emitted by the LED chip 3 blue radiation passes through the first unconverted
  • the Wavelength conversion layer 13 strikes the second wavelength conversion layer 13, which on the first Wavelength conversion layer 13 is arranged.
  • the second wavelength conversion layer 13 comprises a further second wavelength conversion substance 12, which is suitable for converting a further part of the radiation of the first wavelength emitted by the light-emitting diode chip 3 into radiation of a further second wavelength from the yellow spectral range. Another part of the blue radiation emitted by the light-emitting diode chip 3 also passes through the second wavelength conversion layer 13 unconverted and is transmitted from the first
  • Wavelength conversion substance 10 is converted in the optical element 9 in radiation of a second wavelength from the green spectral range.
  • a part of the radiation of the first wavelength emitted by the light-emitting diode chip 3 in turn passes unconverted through the optical element 9.
  • the component thus emits mixed radiation which emits radiation from the yellow, green, blue and red spectral range.
  • By blending radiation from the yellow spectral range it is possible to set the color location of the mixed-color radiation in the warm-white range of the CIE standard color chart.
  • the component according to the exemplary embodiment of FIG. 6 has no component housing 1.
  • four LED chips 3 are mounted in an aluminum frame 15 on a heat sink 16, which in turn on a circuit board 17, in this case a metal core board is located.
  • the heat sink 16 is made of a good thermal conductivity material, such as copper, and serves to dissipate the heat generated during operation of the LED chips 3, of these.
  • the aluminum frame 15 with the LED chips 3 is in the emission of the LED chips 3 downstream of a separately manufactured lens 9, which has a first wavelength conversion substance 10.
  • a separately manufactured lens 9 which has a first wavelength conversion substance 10.
  • the light-emitting diode chips 3 emit radiation of a first wavelength from the blue spectral region, which is partially converted by the first wavelength conversion substance 10 into radiation of a second wavelength from the yellow spectral region, so that the component has mixed polychromatic radiation with yellow and blue spectral components.
  • the use of the aluminum frame 15 in the present device is optional. It is capable of being filled with a sheath 8 (not shown) which serves to protect the LED chips 3 and reduces the refractive index jump between LED chips 3 and their surroundings. Furthermore, in the sheath 8, as described with reference to Figures 2 and 4, a second wavelength conversion substance 12 may be included.
  • the inner flanks of the aluminum frame 15 may be formed as reflectors, which serve the beam shaping.
  • electrically conductive contact areas 18 are provided on the heat sink, which are connected by bonding wires, each having a corresponding electrical connection portion 19 on the circuit board 17 side of the heat sink 16 electrically conductive.
  • the light-emitting diode chips 3 are likewise electrically conductively connected to a bonding wire with a corresponding electrical connection region 19.
  • the electrical connection areas 19 are connected by conductor tracks 20 to further electrical connection areas 21, which establish an electrical connection to pins 22 of an external connection part 23.
  • the electrical connection part 23 is adapted to be contacted with a plug to the outside.
  • the optoelectronic component 17 For mounting the optoelectronic component 17 further holes 24 are provided for dowel pins on the circuit board.
  • the circuit board 17 includes varistors 25 for protecting the component from electrostatic discharges (ESD protection).
  • the separate lens 9 further comprises integrated pins 92 which, when the lens 9 is placed on the aluminum frame 15, engage in corresponding bores 26 of the printed circuit board 17 and latch there, so that the lens 9 is fixed.
  • the invention is not limited to certain wavelength conversion materials, wavelengths, Radiation generating semiconductor body or optical elements limited.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement beschrieben, das einen Halbleiterkörper (3), der im Betrieb des optoelektronischen Bauelementes elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge emittiert, und ein separaten optischen Element (9), das dem Halbleiterkörper (3) in dessen Abstrahlrichtung beabstandet nachgeordnet ist, umfasst. Das optische Element (9) weist mindestens einen ersten Wellenlängenkonversionsstoff (10) auf, der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten verschiedenen zweiten Wellenlänge umwandelt.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit Wellenlängenkonversionsstoffen.
Strahlungsemittierende optoelektronische Bauelemente mit Wellenlängenkonversionsstoffen, sind beispielsweise in der Druckschrift WO 97/50132 beschrieben. Ein solches optoelektronisches Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung aussendet und WeIlenlängenkonversionsStoffe, die in einer Umhüllung des Halbleiterkörpers eingebracht oder in einer Schicht auf dem Halbleiterkörper angeordnet sind. Die
Wellenlängenkonversionsstoffe wandeln einen Teil der von dem Halbleiterkörper emittierten elektromagnetischen Strahlung in Strahlung anderer, in der Regel größerer Wellenlänge um, derart dass das Bauelement Mischstrahlung aussendet.
Wie beispielsweise in der Druckschrift DE 102 61 428 beschrieben, ist es auch möglich dem Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper mehrere Schichten mit unterschiedlichen Wellenlängenkonversionsstoffen nachzuordnen, so dass unterschiedliche Anteile der vom strahlungsemittierenden Körper ausgesandten Strahlung mittels unterschiedlicher Wellenlängenkonversionsschichten in Strahlung unterschiedlicher Spektralbereiche umgewandelt werden.
In der Vergangenheit wurde versucht, die Effizienz von optoelektronischen Bauelementen mit
Wellenlängenkonversionsstoffen zu verbessern, indem zum einen die Effizienz von Halbleiterkörper und Wellenlängenkonversionsstoff erhöht wurde und zum anderen die Geometrie des Bauelementgehäuses diesbezüglich verbessert wurde.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement mit
Wellenlängenkonversionsstoffen anzugeben, das eine hohe Effizienz aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement mit einem Wellenlängenkonversionsstoff anzugeben, das eine hohe Effizienz und zugleich gute Farbwiedergabe aufweist.
Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen des optoelektronischen Bauelementes sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 25 angegeben.
Ein optoelektronisches Bauelement mit hoher Effizienz umfasst insbesondere :
- einen Halbleiterkörper, der im Betrieb des optoelektronischen Bauelementes elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge emittiert, und
- ein separates optisches Element, das dem Halbleiterkörper in dessen Abstrahlrichtung beabstandet nachgeordnet ist, wobei das optische Element mindestens einen ersten Wellenlängenkonversionsstoff umfasst, der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge umwandelt.
„Beabstandet" bedeutet in dem vorliegenden Zusammenhang insbesondere, dass das optische Element in einer vorgegebenen Art und Weise räumlich getrennt von dem Halbleiterkörper angeordnet ist, wobei zwischen Halbleiterkörper und optischen Element ein definierter Zwischenraum ausgebildet ist, der frei von Wellenlängenkonversionsstoff ist.
Da der erste Wellenlängenkonversionsstoff von dem optischen Element umfasst wird, das beabstandet von dem Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper angeordnet ist, ist auch der erste Wellenlängenkonversionsstoff beabstandet vom Strahlungserzeugenden Halbleiterkörper angeordnet. Im Vergleich zu einem optoelektronischen Bauelement, bei dem der erste Wellenlängenkonversionsstoff direkt angrenzend an den Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper und insbesondere direkt angrenzend an dessen Strahlungsemittierende Vorderseite angeordnet ist, beispielsweise innerhalb einer Umhüllung des Halbleiterkörpers oder einer Schicht, ist die Effizienz des Bauteils vorteilhafterweise erhöht. Außerdem ist es besonders vorteilhaft, den
Wellenlängenkonversionsstoff in das optische Element einzubringen, das der Strahlformung dient und im Wesentlichen die Abstrahlcharakteristik des Bauelementes bestimmt, da so in der Regel nicht nur eine erhöhte, sondern auch eine besonders homogene Abstrahlcharakteristik erzielt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wellenlängenkonversionsstoff Partikel und das optische Element ein Matrixmaterial, in das die Partikel eingebettet sind. Da die von dem Halbleiterkörper emittierte Strahlung, sowie die von dem Wellenlängenkonversionsstoff konvertierte Strahlung in der Regel an den Partikeln gestreut wird und da der Wellenlängenkonversionsstoff Strahlung in beliebige Richtungen emittiert, erhöht ein
Wellenlängenkonversionsstoff, der Partikel umfasst, in der Regel die Homogenität der Abstrahlcharakteristik des Bauelementes . Weiterhin bietet die von dem Halbleiterkörper beabstandete Anordnung der Partikel des ersten Wellenlängenkonversionsstoffes in einem separaten optischen Elementes mit bestimmter Geometrie den Vorteil, dass weniger Strahlung, insbesondere konvertierte Strahlung, durch Streuung an den Partikeln in den Halbleiterkörper zurückgelenkt und dort absorbiert wird als dies der Fall ist, wenn der Wellenlängenkonversionsstoff in einem direkt an den Halbleiterkörper angrenzenden Wellenlängenkonversionselement, wie beispielsweise einer Schicht oder Umhüllung enthalten ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform stammt die erste Wellenlänge aus dem ultravioletten, blauen und/oder grünen Spektralbereich. Da Wellenlängenkonversionsstoffe Strahlung in der Regel in Strahlung größerer Wellenlängen umwandeln, sind Wellenlängen aus dem kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektralbereichs und des ultravioletten Spektralbereichs besonders geeignet, in Verbindung mit Wellenlängenkonversionsstoffen angewendet zu werden.
Ein Halbleiterkörper, der ultraviolette, blaue und/oder grüne Strahlung emittiert, umfasst bevorzugt eine aktive Schichtenfolge, die geeignet ist elektromagnetische Strahlung des jeweiligen Spektralbereiches zu emittieren und die aus einem Verbindungshalbleitermaterial besteht, das auf Nitrid oder Phosphid basiert.
„Verbindungshalbleitermaterial, das auf Nitrid basiert" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Schichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, ein Nitrid-Ill- Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIni-n-mN umfasst, wobei 0 < n < 1, O ≤ m ≤ l und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni-n-πvN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
„Verbindungshalbleitermaterial, das auf Phosphid basiert" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang äquivalent, dass die aktive Schichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, ein Phosphid-III-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIni-n-mP umfasst, wobei 0 < n < 1, O ≤ m ≤ l und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni_n-mP-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die aktive Schichtenfolge des Halbleiterkörpers ist beispielsweise epitakisch gewachsen und umfasst bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach- Quantentopf oder besonders bevorzugt eine Mehrfach- Quantentopfstruktur (MQW) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur beinhaltet hierbei keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie - S -
umfasst somit u.a. Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Als Halbleiterkörper kann z.B. ein Leuchtdiodenchip (kurz „LED-Chip") oder auch ein Dünnfilmleuchtdiodenchip (kurz „Dünnfilm-LED-Chip") verwendet werden. Es sind jedoch auch andere strahlungserzeugende Halbleiterkörper, wie Laserdioden, geeignet, in dem Bauelement verwendet zu werden.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus : an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert; und die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf.
Weiterhin enthält die Epitaxieschichtenfolge bevorzugt mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl . Phys . Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambertscher Oberflächenstrahler und eignet sich daher insbesondere für die Anwendung in einem optischen System, wie beispielsweise einem Scheinwerfer.
Stammt die erste Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich, so emittiert das Bauelement bevorzugt Polychromatische Mischstrahlung, die Strahlung der ersten Wellenlänge und Strahlung der zweiten Wellenlänge umfasst. Mit dem Begriff „polychromatische Mischstrahlung" wird vorliegend insbesondere Mischstrahlung bezeichnet, die Strahlung verschiedener Farben umfasst. Besonders bevorzugt liegt der Farbort der Mischstrahlung im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel . Durch Wahl und Konzentration des Wellenlängenkonversionsstoffes werden so Bauelemente hergestellt, deren Farbort in weiten Bereichen einstellt werden kann.
Besonders bevorzugt wird ein Halbleiterkörper verwendet, der Strahlung des blauen Spektralbereiches emittiert, in Verbindung mit einem Wellenlängenkonversionsstoff, der diese blaue Strahlung in gelbe Strahlung umwandelt. Auf diese Art und Weise wird ein optoelektronisches Bauelement erzielt, das Mischstrahlung mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE- Normfarbtafel aussendet.
Emittiert der Halbleiterkörper jedoch nur nicht-sichtbare Strahlung, beispielsweise aus dem UV-Bereich, so wird eine möglichst vollständige Konversion dieser Strahlung angestrebt, da diese nicht zur Helligkeit des Bauelementes beiträgt. Im Fall von kurzwelliger Strahlung, wie UV- Strahlung, kann diese sogar das menschliche Auge schädigen. Aus diesem Grund sind bei solchen Bauelementen bevorzugt Maßnahmen vorgesehen, die verhindern sollen, dass das Bauelement kurzwellige Strahlung aussendet. Solche Maßnahmen können z.B. Absorberpartikel oder reflektierende Elemente sein, die dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers nachgeordnet sind und die unerwünschte kurzwellige Strahlung absorbieren oder zurück zu dem Wellenlängenkonversionsstoff reflektieren.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass, wie auch untenstehend noch näher erläutert wird, ein Bauelement auch in dem Fall, dass der Halbleiterkörper nur nicht-sichtbare Strahlung emittiert, polychromatische Mischstrahlung emittieren kann. Hierzu werden mindestens zwei verschiedene Wellenlängekonversionsstoffe verwendet, die einfallende Strahlung in unterschiedliche Wellenlängen umwandeln. Sendet der Halbleiterkδrper nur nicht-sichtbare Strahlung aus, so ist diese Ausführungsform gegenüber der Umwandlung der nichtsichtbaren Strahlung in nur eine zweite Wellenlänge besonders vorteilhaft. Umfasst das Bauelement mehrere WeIlenlängenkonversionsStoffe, so werden Maßnahmen, die verhindern sollen, dass das Bauelement kurzwellige Strahlung aussendet, bevorzugt allen Wellenlängenkonversionsstoffen in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers nachgeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes ist der Halbleiterkörper mit einer Umhüllung versehen, die durchlässig ist für die Strahlung, die das Bauelement aussendet. Der Halbleiterkörper kann hierbei in einer Ausnehmung eines Bauelementgehäuses, wie beispielsweise einer Reflektorwanne, angeordnet sein. Alternativ kann der Halbleiterkörper auch auf einer Leiterplatte oder auch auf einem Kühlelement einer Leiterplatte montiert sein. Die Umhüllung dient zum einen dem Schutz des Halbleiterkörpers . Zum anderen ist die Umhüllung bevorzugt so angeordnet, dass sie den Zwischenraum zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterkörper füllt und daher Brechungsindexsprünge auf dem Weg der Strahlung vom Halbleiterkörper zum optischen Element vermindert und so Strahlungsverluste auf Grund von Reflektion an Grenzflächen vorteilhafterweise verringert werden.
Bevorzugt enthält die Umhüllung ein Matrixmaterial, das ein Silikonmaterial, ein Epoxymaterial, ein Hybridmaterial oder ein Brechungsindex angepasstes Material umfasst. Unter einem Brechungsindex-angepassten Material wird ein Material verstanden, dessen Brechungsindex zwischen den Brechungsindizes der angrenzenden Materialien liegt, in dem vorliegenden Zusammenhang also zwischen dem Brechungsindex des Halbleiterkörpers und dem Brechungsindex des Matrixmaterials des optischen Elementes .
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes umfasst die Umhüllung mindestens einen vom ersten verschiedenen zweiten Wellenlängenkonversionsstoff . Der zweite
Wellenlängenkonversionsstoff wandelt bevorzugt die Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten Wellenlänge und von der zweiten Wellenlänge verschiedenen dritten Wellenlänge um, derart, dass das Bauelement Mischstrahlung der zweiten Wellenlänge, der dritten Wellenlänge und ggf. der ersten Wellenlänge aussendet.
Durch die räumlich voneinander getrennte Anordnung des ersten Wellenlängenkonversionsstoffes und des zweiten Wellenlängekonversionsstoffes wird insbesondere die Absorption von bereits durch einen der Wellenlängenkonversionsstoffe umgewandelten Strahlung durch den jeweils anderen Wellenlängenkonversionsstoff reduziert. Diese Gefahr besteht insbesondere, wenn der eine Wellenlängenkonversionsstoff die Strahlung in eine Wellenlänge umwandelt, die nahe der Anregungswellenlänge des anderen Wellenlängenkonversionsstoffes liegt. Die beschriebene Anordnung und räumliche Trennung der beiden Wellenlängenkonversionsstoffe erhöht die Effizienz des Bauteils sowie die Homogenität des Farbeindruckes und die Reproduzierbarkeit dieser Parameter bei der Massenfertigung.
Weiterhin eignet sich für diese Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes insbesondere ein Halbleiterkörper, der nur nicht-sichtbare Strahlung aus dem ultravioletten Bereich emittiert. In diesem Fall wird bevorzugt ein Teil der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung durch den zweiten Wellenlängenkonversionsstoff in der Umhüllung in Strahlung der dritten Wellenlänge umgewandelt. Ein weiterer Teil und ggf. der verbleibende Teil der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung, der entsprechend die Umhüllung unkonvertiert durchläuft, wird durch den ersten Wellenlängenkonversionsstoff in dem optischen Element in Strahlung der zweiten Wellenlänge umgewandelt, so dass das Bauelement polychromatische Mischstrahlung aus Strahlung der zweiten und der dritten Wellenlänge aussendet .
Auch bei dieser Ausführungsform umfasst der zweite Wellenlängenkonversionsstoff bevorzugt Partikel, die in dem Matrixmaterial der Umhüllung eingebettet sind.
Weiterhin sind der Halbleiterkörper und die beiden Wellenlängenkonversionsstoffe bei dieser Ausführungsform bevorzugt so aufeinander abgestimmt, dass die Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich stammt und der zweite Wellenlängekonversionsstoff einen Teil dieser blauen Strahlung in rote Strahlung und der erste WeIlenlängenkonversionsstoff einen weiteren Teil der verbleibenden blauen Strahlung in grüne Strahlung umwandelt, so dass das Bauelement weiße Mischstrahlung mit roten, grünen und blauen Anteilen aussendet. Durch Anpassung der Menge der Wellenkonversionsstoffe kann der Farbort der weißen Mischstrahlung hierbei besonders gut an einen gewünschten Wert angepasst werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Umhüllung und dem optischen Element eine Koppelschicht angeordnet, die ein Brechungsindex-angepasstes Material umfasst, dessen Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex der Umhüllung und dem Brechungsindex des Matrixmaterials des optischen Elementes liegt, so dass Strahlungsverluste auf Grund von Reflektionen an den Grenzflächen vorteilhafterweise vermindert werden. Weiterhin kann die Koppelschicht auch zur mechanischen Verbindung von Umhüllung und optischem Element dienen.
Zusätzlich oder alternativ zu dem zweiten
Wellenlängenkonversionsstoff in der Umhüllung kann weiterhin auf dem Halbleiterkörper eine Wellenlängenkonversionsschicht aufgebracht sein, die mindestens einen von dem ersten und ggf . von dem zweiten verschiedenen dritten WeIlenlängenkonversionsstoff umfasst. Dieser dritte Wellenlängenkonversionsstoff wandelt bevorzugt die Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer vierten Wellenlänge um, derart, dass das Bauelement Mischstrahlung der dritten, der vierten, ggf. der zweiten und ggf. der ersten Wellenlänge aussendet . Ist die Wellenlängenkonversionsschicht auf dem Halbleiterkörper alternativ zu dem zweiten WeIlenlängenkonversionsstoff in der Umhüllung verwendet, werden wiederum der Halbleiterkörper und die beiden Wellenlängenkonversionsstoffe so aufeinander abgestimmt, dass die Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich stammt, der dritte
Wellenlängenkonversionsstoff einen Teil dieser Strahlung in rote Strahlung und der erste WeIlenlängenkonversionsstoff einen weiteren Teil der verbleibenden Strahlung in grüne Strahlung umwandelt, so dass das Bauelement weiße Mischstrahlung mit roten, grünen und blauen Anteilen aussendet .
Die Wellenlängenkonversionsschicht, wie oben beschrieben, muss nicht zwingend auf dem Halbleiterkörper angeordnet sein. Vielmehr kann eine Wellenlängenkonversionsschicht auch zwischen der Umhüllung und dem optischen Element angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, dass das Bauelement nicht nur eine Wellenlängenkonversionsschicht, sondern mehrere Wellenlängenkonversionsschichten, bevorzugt jeweils mit unterschiedlichen Wellenlängenkonversionsstoffen, aufweist.
Ist die Wellenlängenkonversionsschicht zusätzlich zu dem zweiten WeIlenlängenkonversionsstoff in der Umhüllung verwendet, so dass insgesamt mindestens drei verschiedene Wellenlängenkonversionsstoffe in dem Bauelement verwendet sind, so wird bevorzugt ein Halbleiterkörper verwendet, der nicht-sichtbare Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich aussendet. Ein Teil der nicht-sichtbare Strahlung des Halbleiterkörpers wird dann, bevorzugt durch den dritten Wellenlängenkonversionsstoff der Wellenlängenkonversionsschicht auf dem Halbleiterkörper in Strahlung des roten Spektralbereiches umgewandelt, während ein weiterer Teil der von dem Halbleiterkörper emittierten nicht-sichtbaren Strahlung die Wellenlängenkonversionsschicht unkonvertiert passiert und ein weiterer Teil dieser unkonvertierten Strahlung von dem zweiten
Wellenlängenkonversionsstoff in der Umhüllung in Strahlung des grünen Spektralbereiches umgewandelt wird. Ein weiterer Teil der nicht-sichtbaren Strahlung durchläuft wiederum unkonvertiert die Umhüllung. Der letzte Teil der nicht- sichtbaren Strahlung, der die Umhüllung unkonvertiert durchläuft wird dann, bevorzugt vollständig, in blaue Strahlung umgewandelt, so dass das Bauelement Mischstrahlung aus dem roten, dem grünen und dem blauen Spektralbereich mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel aussendet . Abhängig vom gewünschten Farbort der Mischstrahlung sind auch andere Spektralbereiche, in die Strahlung des Halbleiterkörpers jeweils konvertiert wird, denkbar .
Die Verwendung mindestens dreier
Wellenlängenkonversionsstoffe in Verbindung mit einem Halbleiterkörper, der Strahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich aussendet, kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn ein bestimmter Farbort der von dem Bauelement ausgesendeten Mischstrahlung angestrebt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der Wellenlängenkonversionsschicht konstant, da dann die Weglänge der Strahlung innerhalb der WeIlenlängenkonversionsSchicht vereinheitlich wird. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Homogenisierung des Farbeindruckes des optoelektronischen Bauelementes . Umfasst das Bauelement eine Wellenlängenkonversionsschicht mit einem dritten Wellenlängenkonversionsstoff, so umfasst die Wellenlängenkonversionsschicht wiederum bevorzugt ein Matrixmaterial und der dritte Wellenlängenkonversionsstoff Partikel, die in dem Matrixmaterial eingebettet sind.
Das Matrixmaterial der Wellenlängenkonversionsschicht weist in der Regel ein transparent aushärtbares Polymer auf, wie z.B. ein Epoxid, ein Acrylat, ein Polyester, ein Polyimid, ein Polyurethan oder auch ein Chlor aufweisendes Polymer, wie etwa ein Polyvinylchlorid oder bestehen aus einem solchen. Weiterhin sind auch Mischungen der oben genannten Materialien sowie Silikone und Hybridmaterialien, die in der Regel Mischformen aus Silikonen, Epoxiden sowie Acrylaten darstellen, geeignet, als Matrixmaterial verwendet zu werden. Generell sind Polymere als Matrixmaterial geeignet, die Polysiloxanketten enthalten.
Bei Verwendung mehrerer räumlich voneinander getrennt angeordneter Wellenlängenkonversionsstoffe, werden diese bevorzugt so angeordnet, dass die Wellenlänge, in die die Strahlung der ersten Wellenlänge von dem jeweiligen Wellenlängekonversionsstoff konvertiert wird, vom Halbleiterkörper her gesehen in dessen Abstrahlrichtung jeweils kürzer ist als die Wellenlänge, in die der bezüglich der Abstrahlrichtung des Halbleiterchips vorangehende Wellenlängenkonversionsstoff die Strahlung der ersten Wellenlänge konvertiert . So wird die Absorption von bereits konvertierter Strahlung durch einen in Abstrahlrichtung des Halbleiterchips nachgeordneten Wellenlängenkonversionsstoff besonders effektiv vermieden. Der erste, zweite und dritte Wellenlängenkonversionsstoff ist beispielsweise aus der Gruppe gewählt, die durch die folgenden Stoffe gebildet wird: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogalate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride .
Besonders bevorzugt ist als erster, zweiter oder dritter Wellenlängenkonversionsstoff ein Ce-dotierter YAG- Wellenlängenkonversionsstoff (YAG: Ce) verwendet.
Bevorzugt ist das optische Element eine Linse, besonders bevorzugt eine konvexe Linse. Das optische Element dient dazu, die Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelementes auf eine gewünschte Art und Weise auszubilden. Hierzu können sphärische Linsen oder asphärische Linsen, beispielsweise elliptische Linsen eingesetzt werden. Weiterhin ist es denkbar, dass andere optische Elemente zur Strahlformung verwendet werden, wie beispielsweise ein Vollkörper, der pyramiden- oder kegelstumpfförmig oder nach Art eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators, eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators ausgebildet ist.
Das optische Element umfasst als Matrixmaterial für die Partikel des Wellenlängenkonversionsstoffes beispielsweise ein Material das aus der Gruppe ausgewählt ist, die durch die folgenden Stoffe gebildet wird: Glas, Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polycarbonat (PC) , cyclische Olefine (COC) , Silikone und Polyacrylesterimid (PMMI) .
Besonders bevorzugt ist der jeweilige
Wellenlängenkonversionsstoff im Wesentlichen homogen in dem Matrixmaterial des optischen Elementes und/oder dem Matrixmaterial der Umhüllung und/oder dem Matrixmaterial der Wellenlängenkonversionsschicht verteilt. Eine im Wesentlichen homogene Verteilung des Wellenlängenkonversionsstoffes führt vorteilhafterweise in der Regel zu einer sehr homogenen Abstrahlcharakteristik und zu einem sehr homogenen Farbeindruck des optoelektronischen Bauelementes. Der Ausdruck „im Wesentlichen homogen" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Partikel des
Wellenlängenkonversionsstoffes so gleichmäßig in dem jeweiligen Matrixmaterial verteilt sind, wie es im Rahmen der technischen Machbarkeit möglich und sinnvoll ist. Insbesondere bedeutet es, dass die Partikel nicht agglomeriert sind.
Allerdings ist es nicht auszuschließen, dass, z.B. auf Grund von Sedimentation der Partikel während des Aushärtens des jeweiligen Matrixmaterials, eine geringfügige Abweichung der Anordnung der Partikel in dem Matrixmaterial von einer idealen Gleichverteilung auftritt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Matrixmaterial des optischen Elementes und/oder das Matrixmaterial der Umhüllung und/oder das Matrixmaterial der Wellenlängenkonversionsschicht Licht streuende Partikel. Diese können vorteilhafterweise die Abstrahlcharakteristik homogenisieren oder die optischen Eigenschaften des Bauteils auf gewünschte Art und Weise beeinflussen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Halbleiterkörper in der Regel nicht Strahlung einer einzigen ersten Wellenlänge aussendet, sondern Strahlung mehrerer unterschiedlicher erster Wellenlängen, die bevorzugt von einem gemeinsamen ersten Wellenlängenbereich umfasst werden. Der erste, zweite oder dritte Wellenlängenkonversionsstoff wandelt Strahlung zumindest von einer einzigen ersten Wellenlänge in Strahlung mindestens einer weiteren, zweiten, dritten oder vierten Wellenlänge um. In der Regel wandelt der erste, zweite oder dritte Wellenlängenkonversionsstoff Strahlung mehrerer erster Wellenlängen, die bevorzugt von einem ersten Wellenlängenbereich umfasst werden, in Strahlung mehrerer weiterer, zweiter, dritter oder vierter Wellenlängen um, die wiederum bevorzugt von einem weiteren gemeinsamen zweiten, dritten oder vierten Wellenlängenbereich umfasst werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von fünf Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren IA und IB, sowie 2 bis 6 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur IA, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur IB, schematische Schnittdarstellung durch ein Bauelementgehäuse für das optoelektronischen Bauelement gemäß Figur IA, Figuren 2 bis 5, schematische Schnittdarstellung optoelektronischer Bauelemente gemäß vier weiterer Ausführungsbeispiele, und
Figur 6, schematische Explosionsdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichtdicken, zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur IA umfasst ein Bauelementgehäuse 1 mit einer Ausnehmung 2, in die ein Leuchtdiodenchip 3 auf einen Chipmontagebereich 4 montiert ist. Vorliegend wird als „Vorderseite" des Leuchtdiodenchips und des optoelektronischen Bauelementes jeweils die Strahlungsemittierende Seite bezeichnet und als „Rückseite", jeweils die der Vorderseite gegenüberliegende Seite.
Wie in Figur IB gezeigt, weist das Bauelementgehäuse 1 einen Grundkörper 5 und einen Leiterrahmen 6 auf. Der Leiterrahmen 6 umfasst ein thermisches Anschlussteil 61 und zwei schwingenförmige elektrische Anschlussteile 62, 63, die seitlich aus dem Grundkörper 5 herausragen. Das thermische Anschlussteil 61 ist weiterhin auch elektrisch leitfähig und bildet die Bodenfläche des Chipmontagebereichs 4. Das eine elektrische Anschlussteil 62 ist mit dem thermischen Anschlussteil 61 elektrisch leitend verbunden, während das andere elektrische Anschlussteil 63 mit einem Drahtanschlussbereich 7 des Grundkörpers 5 elektrisch leitend verbunden ist . Der Leuchtdiodenchip 3 wird bei der Montage auf den Chipmontagebereich 4 rückseitig mit dem thermisch leitfähigen Anschlussteil 61 elektrisch leitend verbunden und in einem weiteren Montageschritt vorderseitig mit Hilfe eines Bonddrahtes elektrisch mit dem Drahtanschlussbereich 7 kontaktiert (nicht dargestellt) . Bei dem Bauelementgehäuse 1 der Figur IB ist die Ausnehmung 2, in die der Leuchtdiodenchip 3 montiert ist, als Reflektorwanne ausgebildet, die der Strahlformung dient.
Ein geeignetes Bauelementgehäuse 1 ist in der Druckschrift WO 02/084749 A2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich vorliegend um einen Leuchtdiodenchip 3 auf Basis von Galliumnitrid, der elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge, etwa im blauen Spektralbereich, aussendet. Die Ausnehmung 2 des Bauelementgehäuses 1, in die der Leuchtdiodenchip 3 montiert ist, ist mit einer Umhüllung 8 gefüllt, die z.B. eine Silikonmasse als Matrixmaterial 81 umfasst. Der Umhüllung 8 ist in Abstrahlrichtung des Leuchtdiodenchips 3 eine separat gefertigte Linse 9 nachgeordnet, die auf dem Grundkörper 5 des Bauelementgehäuses 1 montiert ist. Die Linse 9 umfasst vorliegend Polycarbonat als Matrixmaterial 91. Als Matrixmaterial 91 der Linse 9 ist sind aber auch Silikone, PAAI oder Polyurethan (PU) geeignet. Weiterhin umfasst die Linse 9 im Inneren Partikel eines ersten
Wellenlängenkonversionsstoffes 10, der die Strahlung mit der ersten Wellenlänge des Leuchtdiodenchips 3 , also beispielsweise aus dem blauen Spektralbereich, teilweise in Strahlung einer zweiten Wellenlänge, etwa aus dem gelben Spektralbereich, umwandelt, so dass das Bauelement insgesamt weiße Strahlung von seiner Vorderseite aussendet . Die Partikel des ersten Wellenlängenkonversionsstoffes 10 sind hierbei im Wesentlichen homogen und nicht agglomeriert in dem Matrixmaterial der Linse 9 verteilt. Als erster Wellenlängenkonversionsstoff 10 kann beispielsweise YAG: Ce verwendet werden.
Vorliegend erhöht die beabstandete Anordnung des ersten Wellenlängenkonversionsstoffes 10 in dem optischen Element 9 insbesondere auch die Rückstreuung konvertierter Strahlung an den Partikeln des ersten Wellenlängenkonversionsstoffs 10 zu der als Reflektorwanne ausgebildeten Ausnehmung 2 vorteilhafterweise, wodurch die Effizienz des Bauteils erhöht wird.
Bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist im Unterschied zu dem optoelektronischen Bauelement gemäß der Figuren IA und IB eine Koppelschicht 11 zwischen der Linse 9 und der Umhüllung 8 bzw. dem Grundkörper 5 des Bauelementgehäuses 1 angeordnet. Weiterhin befindet sich ein zweiter Wellenlängenkonversionsstoff 12 eingebettet in das Matrixmaterial 81 der transparenten Umhüllung 8 des Leuchtdiodenchips 3 , die die Ausnehmung 2 des Grundkörpers 5 füllt. Die Koppelschicht 11 umfasst ein Material auf Silikonbasis und weist einen Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,5 auf. Neben der Aufgabe, den Brechungsindexsprung zwischen dem Matrixmaterial 81 der Umhüllung 8 und dem Matrixmaterial 91 der Linse 9 zu vermindern, hat die Koppelschicht 11 vorliegend auch die Aufgabe, die Linse 9 auf der Umhüllung 8 beziehungsweise dem Grundkörper 5 des Bauelementgehäuses 1 mechanisch zu fixieren.
Im Unterschied zu dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff 10 in Figur 1, wandelt der erste Wellenlängenkonversionsstoff 10 der Figur 2 einen Teil der blauen Strahlung des Leuchtdiodenchips 3 in Strahlung einer zweiten Wellenlänge um, die beispielsweise im grünen Spektralbereich liegt, während der zweite Wellenlängenkonversionsstoff 12 einen Teil der Strahlung des Leuchtdiodenchips 3 mit einer ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in Strahlung einer dritten Wellenlänge, beispielsweise aus dem roten Spektralbereich, umwandelt. Das Bauelement gemäß der Figur 2 emittiert Polychromatische Mischstrahlung, die vom zweiten Wellenlängenkonversionsstoff 12 konvertierte rote Strahlung, vom ersten Wellenlängenkonversionsstoff 10 konvertierte grüne Strahlung und unkonvertierte blaue Strahlung des Leuchtdiodenchips 3 umfasst. Der Farbort dieser Mischstrahlung liegt hierbei im weißen Bereich der CIE-Norm- Farbtafel. Als erster Wellenlängenkonversionsstoff 10, der geeignet ist, einen Teil der blauen Strahlung in Strahlung aus dem grünen Spektralbereich umzuwandeln, kann beispielsweise ein grün emittierendes Eu-dotiertes Nitrid verwendet werden, während als zweiter
Wellenlängenkonversionsstoff 12, der geeignet ist, einen Teil der blauen Strahlung in Strahlung aus dem roten Spektralbereich umzuwandeln, ein rot emittierendes Eu- dotiertes Nitrid eingesetzt werden kann.
Auch bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 sind zwei
WeIlenlängenkonversionsStoffe 10, 14 verwendet. Wie bei den beiden vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen befindet sich der erste Wellenlängenkonversionsstoff 10 im Wesentlichen homogen verteilt in dem Matrixmaterial 91 der Linse 9. Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wandelt der erste Wellenlängenkonversionsstoff 10 die Strahlung der ersten Wellenlänge des Leuchtdiodenchips 3 aus dem blauen Spektralbereich teilweise Strahlung einer zweiten Wellenlänge, etwa aus dem grünen Spektralbereich um. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 2, befindet sich in dem Matrixmaterial 81 der Umhüllung 8 des Leuchtdiodenchips 3 jedoch kein Wellenlängenkonversionsstoff. Stattdessen ist auf der Vorderseite des Leuchtdiodenchips 3 eine Wellenlängenkonversionsschicht 13 aufgebracht, die ein Matrixmaterial 131 umfasst, in das ein dritter Wellenlängenkonversionsstoff 14 eingebettet ist. Der dritte Wellenlängenkonversionsstoff 14 wandelt einen weiteren Teil der vom Leuchtdiodenchip 3 emittierten Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in Strahlung einer vierten Wellenlänge, etwa aus dem roten Spektralbereich, um.
Die Dicke der Wellenlängenkonversionsschicht 13 mit dem dritten Wellenlängenkonversionsstoff 14 ist vorliegend im Wesentlichen konstant, so dass die Weglänge der blauen Strahlung in der Wellenlängenkonversionsschicht 13 im Wesentlichen konstant ist und der Anteil der vom dritten Wellenlängenkonversionsstoff 14 konvertierten Strahlung nicht von der Position der konvertierenden Partikel in der Wellenlängenkonversionsschicht 13 abhängt. Dies trägt zu einem homogenen Farbeindruck des Bauelementes bei . Wie das Bauelement gemäß Figur 2 sendet das Bauelement gemäß Figur 3 Mischstrahlung mit blauen, roten und grünen Spektralanteilen aus, deren Farbort im weißen Bereich der CIE-Norm-Färbtafel liegt. Bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist im Unterschied zu den oben genannten Ausführungsbeispielen ein Leuchtdiodenchip 3 verwendet, der Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem ultravioletten Spektralbereich aussendet. Weiterhin sind bei diesem Bauelement drei Wellenlängenkonversionsstoffe 10, 12, 14 verwendet, von denen jeder einen Teil dieser ultravioletten Strahlung in einen anderen Spektralbereich des sichtbaren Lichtes umwandelt. Der erste
Wellenlängenkonversionsstoff 10 ist wiederum im Wesentlichen homogen in dem Matrixmaterial 91 der Linse 9 verteilt und wandelt einen Teil der ultravioletten Strahlung in Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem sichtbaren blauen Spektralbereich um. Der zweite Wellenlängenkonversionsstoff 12, der ebenfalls im Wesentlichen homogen verteilt, in dem Matrixmaterial 81 der Umhüllung 8 enthalten ist, wandelt einen weiteren Teil der ultravioletten Strahlung des Leuchtdiodenchips 3 in Strahlung einer dritten Wellenlänge, etwa aus dem sichtbaren grünes Spektralbereich, um. Der restliche Teil der vom Leuchtdiodenchip 3 emittierten ultravioletten Strahlung wird von einem dritten Wellenlängenkonversionsstoff 14, der sich in einer Wellenlängenkonversionsschicht 13 auf dem Leuchtdiodenchip 3 befindet, in Strahlung einer vierten Wellenlänge aus dem sichtbaren roten Spektralbereich umgewandelt . Wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 2 und 3 emittiert das Bauelement weiße Mischstrahlung, die rote, grüne und blaue Spektralanteile umfasst. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 3 wird die Strahlung des Leuchtdiodenchips 3, jedoch idealerweise vollständig durch die Wellenlängenkonversionsstoffe 10, 12, 14 in sichtbares Licht umgewandelt. Als erster Wellenlängenkonversionsstoff 10, der geeignet ist, einen Teil der ultravioletten Strahlung in Strahlung aus dem blauen Spektralbereich umzuwandeln, kann beispielsweise ein Barium-Magnesium-Aluminat verwendet werden, während als zweiter WeIlenlängenkonversionsStoff 12, der geeignet ist, einen Teil der ultravioletten Strahlung in Strahlung aus dem grünen Spektralbereich umzuwandeln, ein grün emittierendes Eu-dotiertes Nitrid eingesetzt werden kann. Als dritter Wellenlängenkonversionsstoff 14, der geeignet ist, Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich in Strahlung aus dem roten Spektralbereich umzuwandeln kann beispielsweise ein rot emittierendes Eu-dotiertes Nitrid verwendet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 umfasst das Bauelement neben einem ersten Wellenlängenkonversionsstoff 10, der in der Linse 9 enthalten ist, zwei weitere Wellenlängenkonversionsstoffe 12 (im folgenden zweite Wellenlängenkonversionsstoffe genannt) , die in einer ersten und einer zweiten Wellenlängenkonversionsschicht 13 zwischen der Umhüllung 8 des Leuchtdiodenchips 3 und der Linse 9 angeordnet sind. Der Leuchtdiodenchip 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel geeignet, Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich auszusenden. Der zweite Wellenlängenkonversionsstoff 12 der ersten Wellenlängenkonversionsschicht 13, die auf der Umhüllung 8 des Leuchtdiodenchips 3 angeordnet ist, wandelt vom Leuchtdiodenchip 3 erzeugte Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in Strahlung einer vierten Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich um. Ein Teil der vom Leuchtdiodenchip 3 ausgesandten blauen Strahlung durchläuft unkonvertiert die erste
Wellenlängenkonversionsschicht 13 und trifft auf die zweite WeIlenlängenkonversionsSchicht 13, die auf der ersten Wellenlängenkonversionsschicht 13 angeordnet ist. Die zweite Wellenlängenkonversionsschicht 13 umfasst einen weiteren zweiten Wellenlängenkonversionsstoff 12, der geeignet ist, einen weiteren Teil der von dem Leuchtdiodenchip 3 emittierten Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer weiteren zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich umzuwandeln. Ein weiterer Teil der von dem Leuchtdiodenchip 3 emittierten blauen Strahlung durchläuft auch die zweite WeIlenlängenkonversionsSchicht 13 unkonvertiert und wird von dem ersten
Wellenlängenkonversionsstoff 10 in dem optischen Element 9 in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich konvertiert. Ein Teil der von dem Leuchtdiodenchip 3 ausgesandten Strahlung der ersten Wellenlänge durchläuft wiederum unkonvertiert das optische Element 9. Das Bauelement emittiert somit Mischstrahlung, die Strahlung aus dem gelben, grünen, blauen und roten Spektralbereich aussendet. Durch Bemischen von Strahlung aus dem gelben Spektralbereich ist es möglich, den Farbort der mischfarbigen Strahlung im warmweißen Bereich der CIE- Normfarbtafel einzustellen.
Das Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 weist im Unterschied zu den oben beschriebenen Bauelementen kein Bauelementgehäuse 1 auf. Bei dieser Ausführungsform sind vier Leuchtdiodenchips 3 in einem Aluminiumrahmen 15 auf einer Wärmesenke 16 montiert, die sich ihrerseits auf einer Leiterplatte 17, vorliegend eine Metallkernplatine, befindet. Die Wärmesenke 16 ist aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer, und dient dazu, die Wärme, die beim Betrieb der Leuchtdiodenchips 3 entsteht, von diesen abzuleiten. Dem Aluminiumrahmen 15 mit den Leuchtdiodenchips 3 ist in Abstrahlrichtung der Leuchtdiodenchips 3 eine separat gefertigte Linse 9 nachgeordnet, die einen ersten WellenlängenkonversionsStoff 10 aufweist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur IA, senden die Leuchtdiodenchips 3 Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich aus, die von dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff 10 teilweise in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich umgewandelt wird, so dass das Bauelement Polychromatische Mischstrahlung mit gelben und blauen Spektralanteilen aussendet .
Die Verwendung des Aluminiumrahmens 15 bei dem vorliegenden Bauelement ist optional. Er ist dazu geeignet, mit einer Umhüllung 8 gefüllt zu werden (nicht dargestellt) , die dem Schutz der Leuchtdiodenchips 3 dient, sowie den Brechungsindexsprung zwischen Leuchtdiodenchips 3 und ihrer Umgebung verringert. Weiterhin kann in der Umhüllung 8, wie anhand der Figuren 2 und 4 beschrieben, ein zweiter Wellenlängenkonversionsstoff 12 enthalten sein.
Weiterhin können die inneren Flanken des Aluminiumrahmens 15 als Reflektoren ausgebildet sein, die der Strahlformung dienen.
Zur rückseitigen elektrischen Kontaktierung der Leuchtdiodenchips 3 sind auf der Wärmesenke 16 elektrisch leitfähige Kontaktbereiche 18 vorgesehen, die durch Bonddrähte mit jeweils einem korrespondierenden elektrischen Anschlussbereich 19 auf der Leiterplatte 17 seitlich der Wärmesenke 16 elektrisch leitend verbunden sind. Vorderseitig werden die Leuchtdiodenchips 3 ebenfalls mit einem Bonddraht mit einem korrespondierenden elektrischen Anschlussbereich 19 elektrisch leitend verbunden. Die elektrischen Anschlussbereiche 19 sind durch Leiterbahnen 20 mit weiteren elektrischen Anschlussbereichen 21 verbunden, die eine elektrische Verbindung zu Pins 22 eines externen Anschlussteils 23 herstellen. Das elektrische Anschlussteil 23 ist dazu geeignet, mit einem Stecker nach außen kontaktiert zu werden.
Zur Montage des optoelektronischen Bauelementes sind auf der Leiterplatte 17 weiterhin Bohrungen 24 für Passstifte vorgesehen. Außerdem umfasst die Leiterplatte 17 Varistoren 25 zum Schutz des Bauteils vor elektrostatischen Entladungen (ESD-Schutz) .
Die separate Linse 9 umfasst vorliegend weiterhin integrierte Stifte 92, die beim Aufsetzten der Linse 9 auf den Aluminiumrahmen 15 in korrespondierende Bohrungen 26 der Leiterplatte 17 eingreifen und dort verrasten, so dass die Linse 9 fixiert ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 102006020529.4 und 102005041063.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Insbesondere ist die Erfindung nicht auf bestimmte Wellenlängenkonversionsstoffe, Wellenlängen, Strahlungserzeugende Halbleiterkörper oder optische Elemente beschränkt .

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement mit:
- einem Halbleiterkörper (3), der im Betrieb des optoelektronischen Bauelementes elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge emittiert, und
- einem separaten optischen Element (9) , das dem Halbleiterkörper (3) in dessen Abstrahlrichtung beabstandet nachgeordnet ist, wobei das optische Element (9) mindestens einen ersten Wellenlängenkonversionsstoff (10) umfasst, der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge umwandelt .
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem
- der erste Wellenlängenkonversionsstoff (10) Partikel umfasst, und
- das optische Element (9) ein Matrixmaterial (91) aufweist, in das die Partikel des ersten Wellenlängenkonversionsstoffes (10) eingebettet sind.
3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die erste Wellenlänge aus dem ultravioletten, blauen und/oder grünen Spektralbereich stammt .
4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Bauelement polychromatische Mischstrahlung aussendet, die Strahlung der ersten Wellenlänge und Strahlung der zweiten Wellenlänge umfasst.
5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 4, bei dem die Mischstrahlung einen Farbort im weißen Bereich der CIE- Normfarbtafel aufweist .
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich und die zweite Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich stammen.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Halbleiterkörper (3) mit einer für die Strahlung des Bauelementes durchlässigen Umhüllung (8) versehen ist.
8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die Umhüllung (8) ein Matrixmaterial (81) enthält, das ein Silikonmaterial und/oder ein Brechungsindex angepasstes Material umfasst.
9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Umhüllung (8) mindestens einen vom ersten verschiedenen zweiten WeIlenlängenkonversionsStoff (12) umfasst .
10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, bei dem der zweite Wellenlängenkonversionsstoff (12) Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten und von der zweiten Wellenlänge verschiedenen dritten Wellenlänge umwandelt, derart dass das Bauelement Mischstrahlung aussendet, die Strahlung der zweiten Wellenlänge, der dritten Wellenlänge und ggf. der ersten Wellenlänge umfasst.
11. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der zweite Wellenlängenkonversionsstoff (12) Partikel umfasst, die in dem Matrixmaterial (81) der Umhüllung (8) eingebettet sind.
12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem zwischen der Umhüllung (8) und dem separaten optische Element (9) eine Koppelschicht (11) mit einem Brechungsindex angepassten Material angeordnet ist.
13. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem auf den Halbleiterkörper (3) eine Wellenlängenkonversionsschicht (13) aufgebracht ist, die mindestens einen vom ersten und ggf . vom zweiten Wellenlängenkonversionsstoff (10, 12) verschiedenen dritten Wellenlängenkonversionsstoff (14) umfasst.
14. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 13 , bei dem der dritte Wellenlängenkonversionsstoff (14) Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten, der zweiten und ggf. der dritten Wellenlänge verschiedenen vierten Wellenlänge umwandelt, derart, dass das Bauelement Mischstrahlung aussendet, die die Strahlung der dritten Wellenlänge, der vierten Wellenlänge, ggf. der zweiten Wellenlänge und ggf. der ersten Wellenlänge umfasst.
15. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 13 oder 14 , bei dem die Dicke der Wellenlängenkonversionsschicht (13) konstant ist.
16. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem - der dritte Wellenlängenkonversionsstoff (14) Partikel umfasst, und die Wellenlängenkonversionsschicht (13) ein Matrixmaterial (131) aufweist, in das die Partikel des dritten Wellenlängenkonversionsstoffes (14) eingebettet sind.
17. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem der erste Wellenlängenkonversionsstoff (10) , der zweite Wellenlängenkonversionsstoff (12) und ggf. der dritte Wellenlängenkonversionsstoff (14) so angeordnet sind, dass die Wellenlänge, in die die erste Strahlung von dem jeweiligen Wellenlängekonversionsstoff (10, 12, 14) konvertiert wird, vom Halbleiterkörper (3) her gesehen in dessen Abstrahlrichtung jeweils kürzer ist als die Wellenlängenlänge in die der bezüglich der Abstrahlrichtung des Halbleiterchips vorangehende Wellenlängenkonversionsstoff
(10, 12, 14) die erste Strahlung konvertiert.
18. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 17, bei dem die zweite Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich und die dritte oder die vierte Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich stammt .
19. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der erste Wellenlängenkonversionsstoff
(10) und/oder der zweite Wellenlängenkonversionsstoff (12) und/oder der dritte Wellenlängenkonversionsstoff (14) aus der Gruppe stammt, die durch die folgenden Stoffe gebildet wird: mit Metallen der seltenen Erden dotierten Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxynitride .
20. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 19, bei dem als der erste Wellenlängenkonversionsstoff (10) oder der zweite Wellenlängenkonversionsstoff (12) oder der dritte Wellenlängenkonversionsstoff (14) YAG: Ce verwendet ist.
21. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem als separates optisches Element (9) eine Linse verwendet ist.
22. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 21, bei dem als separates optisches Element (9) eine konvexe Linse verwendet ist.
23. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 22, bei dem das Matrixmaterial (91) des optischen Elementes aus der Gruppe stammt, die durch die folgenden Stoffe gebildet wird: Glas, Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polycarbonat (PC) , cyclische Olefine (COC) , Silikone oder Polyacrylesterimid (PMMI) .
24. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 23, bei dem die Partikel des ersten
Wellenlängenkonversionsstoffes (10) im Wesentlichen homogen im Matrixmaterial (91) des optischen Elementes (9) verteilt sind.
25. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 24, bei dem die Partikel des zweiten Wellenlängenkonversionsstoffes (12) im Wesentlichen homogen in dem Matrixmaterial (81) der Umhüllung (8) verteilt sind.
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