EP2193552A1 - Optoelektronisches bauelement - Google Patents

Optoelektronisches bauelement

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Publication number
EP2193552A1
EP2193552A1 EP08801318A EP08801318A EP2193552A1 EP 2193552 A1 EP2193552 A1 EP 2193552A1 EP 08801318 A EP08801318 A EP 08801318A EP 08801318 A EP08801318 A EP 08801318A EP 2193552 A1 EP2193552 A1 EP 2193552A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
wavelength
optoelectronic component
semiconductor body
wavelength range
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Withdrawn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
EP08801318A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Wirth
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 EP2193552A1 publication Critical patent/EP2193552A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/507—Wavelength conversion elements the elements being in intimate contact with parts other than the semiconductor body or integrated with parts other than the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L33/52—Encapsulations
    • H01L33/54—Encapsulations having a particular shape
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    • H01L33/505—Wavelength conversion elements characterised by the shape, e.g. plate or foil
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/52—Encapsulations
    • H01L33/56—Materials, e.g. epoxy or silicone resin

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component.
  • Optoelectronic components with a semiconductor body which emits radiation of a first wavelength range generally comprise a wavelength conversion substance for producing mixed-colored, for example white, light.
  • the wavelength conversion substance converts part of the radiation of the first wavelength range emitted by the semiconductor body into radiation of a second wavelength range different from the first wavelength range.
  • Such components are described, for example, in the publications WO 02/056390 A1, WO 2006/034703 A1 and Journal of Display Technology, Vol. 3, NO 2, June 2007, pages 155 to 159.
  • the wavelength conversion substance can be introduced into a potting of the semiconductor body, for example, or be applied directly to the semiconductor body in the form of a layer.
  • the object of the invention is to provide an optoelectronic component with a Wellenkonversionstoff, which has a high efficiency.
  • An optoelectronic component comprises in particular:
  • At least one semiconductor body which is intended to emit electromagnetic radiation of a first wavelength range
  • a wavelength-converting layer on an outer side of the inner shaped body comprising a wavelength conversion substance which is suitable for converting radiation of the first wavelength range into radiation of a second wavelength range different from the first wavelength range,
  • the output lens an inner side, which is enclosed by an inner hemispherical surface of radius Rkonver s i o n, and an outer side, which encloses the outside an outer hemispherical surface of radius R having, and the radii Rkonversion and R au SEN of the Weierstrass condition:
  • n L i nse the refractive index of the coupling-out lens
  • NIU ft the refractive index of the vicinity of the coupling-out lens, typically the air.
  • inner and outer hemispherical surfaces are primarily virtual Are surfaces that do not necessarily have to be formed in the device as representational features.
  • the coupling-out lens satisfies the above-described Weierstrass condition when the Weierstrass hemisphere shell which is formed by the inner half-spherical surface with the radius R ko nv e r s i on and the outer semi-spherical shell with radius R au sse n, in their entirety lies within the coupling-out lens.
  • the Weierstrass hemisphere shell is free of the wavelength-converting layer.
  • the outside of the coupling-out lens is shaped and spaced apart from it
  • Radiation-emitting semiconductor body arranged such that the outer side of the coupling-out lens, seen from any point of the semiconductor body, appears at such a small angle that no total reflection occurs on the outside of the coupling-out lens.
  • the wavelength conversion substance is advantageously arranged at a distance from a radiation-emitting front side of the semiconductor body.
  • the space between the wavelength conversion substance of the wavelength-converting layer and the semiconductor body is substantially filled by the inner molded body.
  • the inner molded body is designed as a potting. Since the wavelength conversion substance is arranged at a distance from the radiation-emitting front side of the semiconductor body, the temperature loading of the wavelength conversion substance is advantageously kept low. This also increases the efficiency of the component.
  • the coupling-out lens may be a separately manufactured element which is, for example, milled, turned or injection-molded and is fastened to the optoelectronic component in an assembly step.
  • the coupling-out lens is also possible for the coupling-out lens to be produced on the optoelectronic component, for example by the coupling-out lens being produced as encapsulation on the optoelectronic component.
  • a radiation-emitting front side of the semiconductor body is free of the wavelength-converting layer.
  • the inner molded body and / or the coupling-out lens are / is essentially free of wavelength conversion substance, that is to say that the inner molded body and / or the coupling-out lens have no wavelength conversion substance apart from small impurities.
  • the optoelectronic component comprises a plurality of semiconductor bodies, which are intended to emit electromagnetic radiation.
  • a semiconductor body can, in the case that the optoelectronic component comprises a plurality of semiconductor bodies, are also exhibited by some or all semiconductor bodies.
  • the optoelectronic component comprises a plurality of semiconductor bodies, these are preferably arranged in a symmetrical, particularly preferably in a point-symmetrical pattern.
  • the semiconductor bodies may, for example, be arranged along a line or according to a regular grid.
  • the regular grid may be formed, for example, in the manner of a square or hexagonal grid.
  • the optoelectronic component comprises a plurality of semiconductor bodies, they do not necessarily have to emit radiation of the same wavelength range. Rather, the semiconductor bodies can emit radiation of different wavelength ranges. In this case, it is also possible that not only one wavelength range is converted, but also several wavelength ranges. For this purpose, the component usually has several different wavelength conversion substances.
  • the inner molded body is enclosed by a further hemispherical surface with radius grooves, and the radiation-emitting front side of the semiconductor body has an area A.
  • the ratio A / ⁇ * R in ⁇ e ⁇ 2 is preferably between 1/2 and 1/20, with the limits included.
  • the other hemisphere surface is, like the inner and the outer hemisphere surface, a virtual, imaginary, Hemisphere surface, which does not necessarily have to be formed in the device as an objective feature.
  • the optoelectronic component is a plurality of semiconductor body, the semiconductor body is of an area A 'umtudebar and the ratio A' / ⁇ * Rinn s 2 is preferably between 1/2 and 1/20, the limits being included.
  • the area A ' may be, for example, a circle inscribing the semiconductor bodies.
  • the area A ' is the minimum area which comprises all the semiconductor bodies of the optoelectronic component.
  • an outside of the inner molded body coincides with the further hemispherical surface at least at one point.
  • the outer side of the inner molded body coincides with the further hemisphere surface.
  • the inner molded body is shaped in the manner of a hemisphere.
  • the outside of the inner molded body coincides with the other hemisphere surface.
  • the inner molded body is arranged in this embodiment such that the hemisphere is centered over the semiconductor body. This means that the centroid of the
  • Radiation-emitting front of the semiconductor body and the center of the hemisphere are located on an optical axis of the optoelectronic component, wherein the optical axis is perpendicular to the radiation-emitting front of the semiconductor body.
  • the optoelectronic component comprises a plurality of semiconductor bodies, so they are preferably arranged according to a point-symmetrical pattern in this embodiment, wherein the center of gravity of the pattern, which is usually also a symmetry point of the pattern, and the center of the hemisphere are on the optical axis.
  • the inner hemispherical surface coincides with radius Rk on v e rsion with the inside of the coupling-out lens in at least one point.
  • the inside of the coupling-out lens coincides with the inner hemisphere surface.
  • the outside of the coupling lens also coincides at least in one point with the outer hemisphere surface.
  • the outer side of the coupling-out lens coincides with the outer hemisphere surface.
  • the wavelength-converting layer is applied in direct contact with the inner shaped body, that is to say that the wavelength-converting layer forms a common interface with the inner shaped body.
  • the wavelength-converting layer has a substantially constant thickness according to a further embodiment.
  • the wavelength-converting layer is applied as hemispherical shell on the inner molded body, which is preferably also designed as a hemisphere.
  • the path length is the Radiation of the first wavelength range within the wavelength-converting layer is substantially constant.
  • the coupling-out lens is applied in direct contact with the wavelength-converting layer, that is, the coupling-out lens forms a common interface with the wavelength-converting layer.
  • the coupling-out lens is formed in the manner of a hemispherical shell, which is arranged centered over the semiconductor body, that is to say that the centroid of the radiation-emitting front side of the semiconductor body and the center of the hemisphere shell are arranged on the optical axis of the optoelectronic component.
  • the optoelectronic component comprises a plurality of semiconductor bodies, they are preferably arranged according to a point-symmetrical pattern in this embodiment, the center of gravity of the pattern, which is usually a symmetry point of the pattern, and the center of the hemisphere shell being on the optical axis of the optoelectronic component ,
  • the semiconductor body is applied to a carrier, wherein the carrier has a mirror at least laterally of the semiconductor body.
  • the mirror has the task of deflecting radiation of the first and / or the second wavelength range, which is sent to a rear side of the optoelectronic component, to a radiation-emitting front side of the optoelectronic component, which is opposite to the rear side thereof.
  • the rear side of the optoelectronic component can be formed, for example, by the carrier.
  • the Radiation-emitting front side of the component can be formed, for example, by the outside of the coupling-out lens.
  • other elements for example an antireflection coating or a UV-absorbing layer, can also be arranged on the outside of the coupling-out lens.
  • the mirror may also be formed below the semiconductor body between the semiconductor body and the carrier.
  • the mirror has a reflectance for radiation of the first and / or second wavelength range, which is at least 0.9.
  • the mirror has a reflectance for radiation of the first and / or second wavelength range, which is at least 0.98.
  • roughness peaks of the mirror preferably have at most a height of 40 nm.
  • the mirror is designed specularly reflecting at least laterally of the semiconductor body for radiation of the first and / or second wavelength range.
  • the mirror may comprise a metallic layer and a Bragg mirror or consist of a metallic layer and a Bragg mirror.
  • the mirror can also be designed as a reflection-enhancing oxide-based layer system.
  • a reflection-enhancing oxide-based layer system comprises at least one layer comprising or consisting of an oxide
  • the reflection-enhancing oxide-based layer system has two reflection-enhancing oxide-based layer system
  • Layers comprising an oxide for example a
  • the scattering particles comprise, for example, at least one of the following materials or consist of such: alumina, titania.
  • the radiation of the first wavelength range emitted by the semiconductor body comprises only visible radiation, it is generally desirable that the
  • Wavelength conversion substance converts only a portion of this radiation of the first wavelength range in radiation of the second wavelength range, while another part of the semiconductor body emitted radiation of the first wavelength range, the wavelength-converting layer passes through unconverted.
  • the optoelectronic component emits mixed light which comprises radiation of the first wavelength range and radiation of the second wavelength range. If the semiconductor body emits, for example, visible light from the blue spectral range, then part of this visible blue radiation of the first wavelength range can be converted into yellow radiation by means of the wavelength conversion substance, so that the optoelectronic component emits mixed light with a color locus in the white area of the CIE standard color chart.
  • the wavelength-converting layer is made thicker within an inner region which is arranged above the semiconductor body, than inside an outer region of the wavelength-converting layer, which is arranged laterally of the semiconductor body.
  • the outer region of the wavelength-converting layer is preferably arranged at least partially circumferentially around the inner region of the wavelength-converting layer.
  • the first wavelength range preferably comprises blue radiation, while the second wavelength range comprises yellow radiation.
  • the device preferably emits mixed light having a color locus in the white area of the CIE standard color chart.
  • a wavelength-converting layer, the thickness of which is greater within the inner region over the semiconductor body than within an outer region laterally of the semiconductor body, generally leads to a particularly homogeneous radiation characteristic of the optoelectronic component with respect to the color locus.
  • the coupling-out lens is designed to be absorbent and / or reflective for electromagnetic radiation from the ultraviolet spectral range.
  • the coupling-out lens can, for example, comprise glass or consist of glass.
  • a reflective layer is arranged on the inside of the coupling-out lens, which is designed to be reflective for radiation of the first wavelength range.
  • a reflective layer is particularly preferably used in combination with a semiconductor body which emits radiation from the ultraviolet spectral range.
  • the reflective layer is preferably reflective for ultraviolet radiation of the first wavelength range and transmissive for visible radiation of the second wavelength range.
  • the reflective layer it is also conceivable to use the reflective layer in combination with a semiconductor body which emits visible radiation, for example, when an almost complete Conversion of the radiation of the first wavelength range is sought in radiation of the second wavelength range.
  • FIG. 1A a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 1B a schematic perspective view of the optoelectronic component according to the exemplary embodiment of FIG. 1A,
  • FIG. 4 a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 5 a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a fifth exemplary embodiment
  • Figure 6A a schematic plan view of an optoelectronic device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 6B a schematic sectional view of the optoelectronic component according to FIG. 6A.
  • the optoelectronic component according to the exemplary embodiment of FIGS. 1A and 1B has a semiconductor body 1, which is intended to generate electromagnetic radiation of a first
  • the semiconductor body 1 is embedded in a radiation-transmissive inner molded body 2 such that no air-filled space is present between the semiconductor body 1 and the inner molded body 2.
  • the inner molded body 2 is formed as a hemisphere with radius Ri centered over the semiconductor body. 1 that is to say, the centroid M of a radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1 and the center M 'of the hemisphere formed by the inner molding 2 lie on an optical axis 4 of the optoelectronic component, the optical axis 4 being perpendicular on the
  • a wavelength-converting layer 6 is applied on an outer side 5 of the inner molded body 2, that is, the wavelength-converting layer 6 forms a common interface with the inner molded body 2.
  • the wavelength-converting layer 6 has a substantially constant thickness D.
  • the outer side 7 of the wavelength-converting layer 6 therefore forms a hemispherical surface of radius R 2 .
  • the ratio of the radius R 1 to radius R 2 has, for example, a value between 0.5 and 0.99, the limits being included.
  • the ratio of the radius R x to radius R 2 has a value between 0.6 and 0.95, again including the limits.
  • the ratio of radius R x to radius R 2 is about 0.8.
  • the wavelength-converting layer 6 comprises a wavelength conversion substance 8 which is suitable for converting radiation of the first wavelength range which is emitted by the semiconductor body 1 into radiation of a second wavelength range different from the first wavelength range.
  • the wavelength conversion substance 8 is selected, for example, from the group consisting of rare earth doped garnets, rare earth doped alkaline earth sulfides, rare earth doped thiogalates, rare 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.
  • the wavelength conversion substance 8 of the wavelength-converting layer 6 is in a binder
  • the binder 9 may be, for example, a silicone.
  • the wavelength conversion substance 8 may also be applied in the form of a layer to the inner molded body 2, for example by means of electrophoresis.
  • the optoelectronic component according to the exemplary embodiment of FIGS. 1A and 1B comprises an output coupling lens
  • the decoupling lens 10 forms a common interface with the wavelength-converting layer 6, that is, the decoupling lens 10 is in direct contact with the wavelength-converting layer 6.
  • the decoupling lens 10 is furthermore present as a hemispherical shell with an inner radius R 2 and an outer radius R 3 formed.
  • the coupling-out lens 10 of the optoelectronic component fulfills the Weierstrass condition, as explained below.
  • An inner side 11 of the coupling-out lens 10 with radius R 2 is surrounded by an inner hemispherical surface H inside with radius R conversion, while an outer side 12 of the coupling-out lens 10 has an outer hemisphere surface H outside
  • Radius Rausse ⁇ encloses.
  • the radii Rk o nver s i o n and R a s u s e n satisfy the Weierstrass condition: R aU SEN ⁇ Rkonversi o n * ni inse / F-air "wherein niuft the refractive index of the vicinity of the coupling-out lens, typically the air , is.
  • the inner hemisphere surface H inn en and the outer hemisphere surface H out are virtual surfaces, which are shown in phantom in the figure.
  • the output lens 10 a silicone with a refractive index of about 1.46 to nse nii, such as the following values for the radii meet Rkonversion and
  • the radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1 is square in this case and has an area A.
  • the inner molded body 2 is surrounded by another, also virtual, hemispherical surface H 3 with radius Ri nnen .
  • R i ⁇ n en Ri.
  • the inner molded body 2 may for example be designed as a potting. It may, for example, comprise a silicone and / or an epoxide or consist of one of these materials or a mixture of these materials.
  • the coupling lens 10 may for example also have epoxy or silicone or consist of one of these materials. Furthermore, the coupling-out lens 10 may also comprise a glass or consist of a glass. A coupling lens 10 made of glass, for example, can be made separately and applied to the device, while a coupling lens 10 is made of a potting material such as silicone or epoxy usually on the device, for example by casting or by injection molding.
  • the inner molded body 2, the wavelength-converting layer 6, and the coupling-out lens 10 can be manufactured, for example, by a sequential injection molding method.
  • the wavelength conversion substance 8 is usually introduced into a binder 9 and the coupling-out lens 10 has an injection-moldable material, such as a silicone on.
  • the semiconductor body 1 of the optoelectronic component according to the exemplary embodiment of FIGS. 1A and 1B is applied to a carrier 14.
  • the carrier 14 may be, for example, a printed circuit board.
  • the carrier 14 may also comprise or consist of one of the following materials: alumina, aluminum nitride.
  • a mirror 15 is arranged in the present case, which is also formed between the semiconductor body 1 and the carrier 14.
  • the mirror 15 preferably has a reflectance for radiation of the first and / or the second wavelength range of at least 0.9. Particularly preferably, the mirror 15 has a reflectance of at least 0.98 for radiation of the first and / or the second wavelength range.
  • the mirror 15 may be formed by a metallic layer 26, for example. Furthermore, the mirror 15 may also include a metallic layer 26 and a Bragg mirror 27. In this case, the metallic layer 26 is preferably arranged between the carrier 14 and the Bragg mirror 27, while the Bragg mirror 27 forms the surface of the mirror 15. As a rule, the surface of the mirror 15 in this case has roughness peaks which are not higher than 40 nm. Such a mirror 15 is formed, in particular, as a rule specularly reflecting for visible radiation.
  • the metallic layer 26 may, for example, comprise aluminum or consist of aluminum.
  • the Bragg mirror 27 is constructed, for example, alternately from two silicon oxide layers each and from two titanium oxide layers, that is, the Bragg mirror has two silicon oxide layers and two titanium oxide layers arranged alternately.
  • Silicon oxide layers comprise silicon oxide or consist of silicon oxide.
  • the titanium oxide layers include titanium oxide or titanium oxide.
  • the mirror 15 in the device according to the embodiment of Figures IA and IB is circular with a radius R sp i e gei.
  • the semiconductor body 1 is arranged centered on the circular mirror 15, that is to say that the centroid M of the radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1 and the center of the circular mirror 15 lie on the optical axis 4 of the optoelectronic component which are perpendicular to the
  • the coupling-out lens 10, the wavelength-converting layer 6 and the inner molded body 2 are also applied centered over the semiconductor body 1, that is to say that the center M 'of the hemisphere, respectively through the inner molding 2, the wavelength-converting layer 6 and the Auskoppellinse 10 are formed and the centroid M of the radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1 lie on the optical axis 4 of the optoelectronic component. Furthermore, the true radius R 3 of the outer side 12 of the output lens 10 in the present case with the radius R of the circle Sp iegei agree to the mirror forming 15th The Auskoppellinse 10 thus closes off laterally with the mirror 15.
  • the semiconductor body 1, the inner molded body 2, the wavelength-converting layer 6 and the coupling lens 10 are arranged rotationally symmetrical to the optical axis 4 of the optoelectronic component.
  • the optoelectronic component furthermore has two external electrical connection points 16, which are intended to make electrical contact with the optoelectronic component.
  • the optoelectronic component according to FIG. 2A has a wavelength-converting layer 6 whose thickness D varies.
  • the components according to FIG. 2A and the component according to FIGS. 1A and 1B will be described below.
  • Elements or features, such as the carrier 14 or the mirror 15, which are not described in further detail, can be embodied, for example, as already described with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • the optoelectronic component comprises a semiconductor body 1 which is suitable for emitting light of a first wavelength range, which comprises visible blue radiation.
  • the wavelength conversion substance 8 of the wavelength-converting layer 6 converts part of the blue radiation of the first wavelength range into radiation a second wavelength range encompassing visible yellow radiation.
  • the wavelength conversion substance 8 of the wavelength-converting layer 6 converts part of the blue radiation of the first wavelength range into radiation a second wavelength range encompassing visible yellow radiation.
  • Wavelength conversion substance 8 for example YAG: Ce suitable.
  • Another part of the blue radiation emitted by the semiconductor body 1 passes through the wavelength-converting layer 6 unconverted.
  • the optoelectronic component transmits from its front side 17, which in the present case is formed by the outer side 12 of the coupling-out lens 10, mixed light which comprises portions of blue radiation of the first wavelength range and portions of yellow radiation of the second wavelength range.
  • This mixed light preferably has a color locus in the white area of the CIE standard color chart.
  • the wavelength-converting layer 6 is embodied such that it is thicker in an inner region 18 above the semiconductor body 1 than in an outer region 19 laterally of the semiconductor body 1.
  • the ratio between the thickness D of the wavelength-converting layer 6 in the inner region 18 to the thickness D of FIG Wavelength-converting layer 6 in the outer region 19 is preferably about 5.5.
  • the thickness of the wavelength-converting layer 6 As a result of the variation in the thickness of the wavelength-converting layer 6, a greater part of the blue radiation of the first wavelength range passing through the inner region 18 of the wavelength-converting layer 6 is converted by the wavelength conversion substance 8 into yellow radiation of the second wavelength range than from the blue radiation comprising the wavelength converting layer 6 passes through in its outer region 19.
  • the semiconductor body 1 since the semiconductor body 1 transmits the blue radiation of the first wavelength range substantially from its front side 3 emits, the proportion of blue radiation is emitted, which is emitted in the direction of the inner region 18, as the proportion of radiation, which extends in the direction of the outer region 19.
  • the wavelength-converting layer 6 can have scattering particles 25 which are intended to mix unconverted radiation of the first wavelength range and converted radiation of the second wavelength range.
  • the inner shaped body 2 may also have scattering particles 25.
  • the scattering particles 25 comprise, for example, aluminum oxide or titanium oxide or consist of one of these materials.
  • the outer side 12 of the coupling-out lens 10 is, as in the embodiment according to FIGS. 1A and 1B, designed as a hemispherical surface with a radius R 3 .
  • the decoupling surface is-as in the exemplary embodiment according to FIGS. 1A and 1B-applied in direct contact with the wavelength-converting layer 6, the inside 11 of the output lens 110 is adapted to the outside 7 of the wavelength-converting layer 6.
  • the inner side 11 of the coupling-out lens 10 is therefore flattened in relation to a hemisphere surface within an inner region corresponding to the inner region 19 of the wavelength-converting layer 6.
  • the decoupling lens 10 as well as the coupling-out lens 10 according to the embodiment of Figures IA and IB of the Weierstrass condition corresponds as follows explained.
  • the Weierstrass-hemispherical shell is formed outside the hold by the inner semi-spherical surface H n and the outer hemispherical surface H, free from the wavelength-converting layer. 6
  • the shape of the inner mold body 2 also deviates from the shape of the inner mold body 2, as described with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • the outer side 13 of the inner molded body 2 is flattened with respect to a hemispherical surface.
  • the semiconductor body 1, the inner molded body 2, the wavelength-converting layer 6 and the coupling-out lens 10 are arranged rotationally symmetrical to the optical axis 4 of the optoelectronic component, which is perpendicular to the radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1.
  • the component according to the exemplary embodiment of FIG. 2B like the component according to the exemplary embodiment of FIG. 2A, has a wavelength-converting layer 6 of variable thickness D.
  • the remaining elements and features of the component according to FIG. 2B may be formed, for example, as already described with reference to FIG. 2A.
  • the wavelength-converting layer 6 of the component according to FIG. 2A is thicker in an inner region 18 above the semiconductor body 1 than in an outer region 19 laterally of the semiconductor body 1. Therefore, the outer side 5 of the inner molded body 2 deviates from a hemispherical shape.
  • the outside 7 of the wavelength-converting layer 6 is designed such that it forms a hemispherical surface of radius R 2 . Therefore, the inside 11 of the coupling-out lens 10, which is applied in direct contact with the wavelength-converting layer 6, also forms a hemisphere surface.
  • the outer hemisphere surface H out coincides with the outer surface 12 of the coupling-out lens 10, and it holds
  • the ratio between the thickness D of the wavelength-converting layer 6 and the radius R 2 is about 0.44, while the ratio between the thickness D of the wavelength-converting layer 6 and the radius R 2 within the outer region 19 is a value of is about 0.08.
  • the transition between the inner region 18 and the outer region 19 in the thickness D of the wavelength-converting layer 6 in this case generally proceeds continuously.
  • FIG. 3 shows the simulated course of the Cx coordinate of the color locus as a function of the emission angle of three different optoelectronic components.
  • the simulated Cx value of the color locus is shown as a function of the emission angle ⁇ of a conventional component, in which the wavelength-converting layer 6 is applied directly to the radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1 (curve 1).
  • the color location of the radiation emitted by such a component varies significantly with the emission angle ⁇ .
  • the Cx value of the color locus is clearly smaller for small emission angles ⁇ than for large emission angles ⁇ .
  • FIG. 3 shows the simulated curve of the Cx value of the color locus of an optoelectronic component with an inner molded body 2, a wavelength-converting layer 6 with a constant thickness D on the inner molded body and a coupling-out lens, as described above with reference to FIGS. Curve 2). Even such an optoelectronic component still has a small
  • the third curve (curve 3) in the graph of FIG. 3 shows the simulated curve of the Cx value with the emission angle ⁇ for a component whose wavelength-converting layer 6 is made thicker over the semiconductor body 1 laterally, as described with reference to FIGS. 2A and 2B.
  • the emission characteristic of such a component is virtually homogeneous with respect to the color locus.
  • the component according to the exemplary embodiment of FIG. 4 has a carrier 14 with a reflector region 20 to which the semiconductor body 1 is applied.
  • the reflector region 20 is lowered relative to the remaining surface of the carrier 14.
  • the reflector region 20 in the present case forms a cavity with oblique side walls 21.
  • the reflector region is provided for directing radiation of the semiconductor body to the radiation-emitting front side of the optoelectronic component. Therefore, the mirror 15 is formed in particular on the reflector region 20 of the carrier 14.
  • the reflector region is rotationally symmetrical with respect to the optical axis 4 of the component, which is perpendicular to the radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1 and extends through the centroid M of the radiation-emitting front side 3 of the semiconductor body 1.
  • the semiconductor body 1 is embedded in a molded body 2 such that there is no air-filled space between the semiconductor body 1 and the inner molded body 2.
  • the Wavelength-converting layer 6 and the coupling lens 10 are, as in the embodiment according to the figures IA and IB designed as hemispherical shells, which are each applied in direct contact with each other or with the inner moldings.
  • the center M 'of the hemispherical shells formed by the wavelength-converting layer 6 and the coupling-out lens 10 lies above the semiconductor body 1 in the emission direction of the semiconductor body 1 due to the reflector region 20.
  • condition is also for the output lens 10.
  • Embodiment of Figure 5 in contrast to the optoelectronic component according to the embodiment of Figures IA and IB on a coupling lens 10, the outer side 12 deviates from a hemisphere surface.
  • the Outer side 12 of Auskoppeilinse 10 is spherically curved in an inner region 22 with a radius of curvature Rk rümmun g> Raussen / where R outer is the outer radius of the Weierstrass virtual hemispherical shell.
  • the coupling-out lens 10 has inclined side surfaces 23, which delimit the inner region of the coupling-out lens 10 laterally.
  • the coupling lens 10 with refractive index ni insee obeys the Weierstrass condition, as explained below.
  • the radii R a and Rkonversion Ussen meet the Weierstrass condition: Raussen ⁇ Rkonversion * ni inse / n air, niuft the refractive index of air.
  • the optoelectronic component according to FIGS. 6A and 6B has a plurality of semiconductor bodies 1.
  • the semiconductor bodies 1 of the component according to the exemplary embodiment of FIGS. 6A and 6B are arranged in a regular pattern, in the present case according to a square grid 24.
  • the semiconductor bodies 1 each lie with a centroid M of the radiation-emitting front side 3 on a grid point of the square grid 24.
  • the semiconductor bodies 1 may, for example, also be arranged according to a hexagonal grid.
  • the semiconductor bodies 1 are arranged centered below the inner shaped body 2, that is to say that a center of gravity S of the square lattice 24 and the center M 'of the hemisphere, which is formed by the inner shaped body 2, lie on the optical axis 4 of the optoelectronic component, wherein the optical axis is perpendicular to the mirror 15.
  • the coupling-out lens 10 is also arranged centered over the semiconductor bodies 1, that is to say that the center of gravity S of the square lattice 24 and the center M 'of the hemispherical shell forming the coupling-out lens 10 lie on the optical axis 4 of the optoelectronic component.
  • the center of gravity S of the square grid 24 is also the point of symmetry of the grid 24 in the present case.
  • the four semiconductor bodies 1 of the optoelectronic component of the exemplary embodiment of FIGS. 6A and 6B are inscribed by a circle with area A ', wherein in each case an outer corner of a semiconductor body 1 lies on the inscribing circle.
  • the inner molded body 2 is surrounded by another, likewise virtual, hemispherical surface H 3 with radius R inner .
  • the semiconductor bodies 1 emit, for example, ultraviolet radiation, that is to say that the first wavelength range comprises ultraviolet radiation.
  • the coupling-out lens 10 is formed in this case absorbing ultraviolet radiation, for example by having a glass.
  • a reflective layer 28 is disposed on the inside 11 of the coupling-out lens 10, which is reflective to ultraviolet radiation and transmissive to visible radiation.
  • the reflective layer 18 may be, for example, a dielectric mirror.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement mit den folgenden Merkmalen offenbart: - zumindest einem Halbleiterkörper (1), der dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zu emittieren, - einem inneren strahlungsdurchlässigen Formkörper (2), in den der Halbleiterkörper (1) eingebettet ist, - einer wellenlängenkonvertierenden Schicht (6) auf einer Außenseite (5) des inneren Formkörpers (2), die einen Wellenlängenkonversionsstoff (8) umfasst, der dazu geeignet ist, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, - einer Auskoppellinse (10), in die der innere Formkörper (2) und die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) eingebettet sind, wobei - die Auskoppellinse (10) eine Innenseite, die von einer inneren Halbkugelfläche mit Radius Rkonversion umschlossen ist, und eine Außenseite, die eine äußere Halbkugelfläche mit Radius Raussen umschließt, aufweist, und die Radien Rkonversion und Raussen die Weierstrass-Bedingung: Raussen ≥ Rkonversion * nLinse / nluft, erfüllen, wobei nLinse der Brechungsindex der Auskoppellinse und nluft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse ist.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen DE 10 2007 046 699 und DE 10 2007 049 799, deren Offenbarungsgehalt jeweils hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement.
Optoelektronische Bauelemente mit einem Halbleiterkörper, der Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aussendet, umfassen zur Erzeugung von mischfarbigen - etwa weißem - Licht in der Regel einen Wellenlängenkonversionsstoff. Der WellenlängenkonversionsStoff wandelt einen Teil der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs um. Solche Bauelemente sind beispielsweise in den Druckschriften WO 02/056390 Al, WO 2006/034703 Al und Journal of Display Technology, Vol. 3, NO 2, June 2007, Seiten 155 bis 159 beschrieben. Der Wellenlängenkonversionsstoff kann beispielsweise in einen Verguss des Halbleiterkörpers eingebracht oder in Form einer Schicht direkt auf den Halbleiterkörper aufgebracht sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement mit einem Wellenkonversionstoff anzugeben, das eine hohe Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst . Vorteilhafte Ausführungsformen sowie weitere Merkmale des optoelektronischen Bauelementes sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein optoelektronisches Bauelement umfasst insbesondere:
- zumindest einen Halbleiterkörper, der dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zu emittieren,
- einen inneren strahlungsdurchlässigen Formkörper, in den der Halbleiterkörper eingebettet ist,
- eine wellenlängenkonvertierende Schicht auf einer Außenseite des inneren Formkörpers, die einen Wellenlängenkonversionsstoff umfasst, der dazu geeignet ist, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln,
- eine Auskoppellinse, in die der innere Formkörper und die wellenlängenkonvertierende Schicht eingebettet sind, wobei
- die Auskoppellinse eine Innenseite, die von einer inneren Halbkugelfläche mit Radius Rkonversion umschlossen ist, und eine Außenseite, die eine äußere Halbkugelfläche mit Radius Raussen umschließt, aufweist, und die Radien Rkonversion und Raussen die Weierstrass-Bedingung:
Raussen — Rkonversion ^-Linse / Η-luft /
erfüllen, wobei nLinse der Brechungsindex der Auskoppellinse und niuft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse, typischerweise der Luft, ist.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die innere und die äußere Halbkugelfläche in erster Linie virtuelle Flächen sind, die nicht notwendigerweise in dem Bauelement als gegenständliche Merkmale ausgebildet sein müssen.
Insbesondere erfüllt die Auskoppellinse die oben beschriebene Weierstrass-Bedingung, wenn die Weierstrass-Halbkugelschale, die durch die innere Halbkugelflache mit dem Radius Rkonversion und die äußere Halbkugelschale mit dem Radius Raussen gebildet ist, in ihrer Gesamtheit innerhalb der Auskoppellinse liegt.
Besonders bevorzugt ist die Weierstrass-Halbkugelschale frei von der wellenlängenkonvertierenden Schicht.
Erfüllt die Auskoppellinse die Weierstrass-Bedingung, so ist mit anderen Worten die Außenseite der Auskoppellinse derart geformt und derart beabstandet von dem
Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper angeordnet, dass die Außenseite der Auskoppellinse von jedem Punkt des Halbleiterkörpers aus gesehen, unter einem so kleinen Winkel erscheint, dass keine Totalreflexion an der Außenseite der Auskoppellinse auftritt. Eine Auskoppellinse, die der Weierstrass-Bedingung gehorcht, weist daher nur sehr geringe Strahlungsverluste aufgrund von Totalreflexion an ihrer Außenseite auf. Die Auskoppeleffizienz des optoelektronischen Bauelementes ist somit vorteilhafterweise erhöht.
Bei dem optoelektronischen Bauelement ist der Wellenlängenkonversionsstoff vorteilhafterweise beabstandet von einer strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordnet . Der Raum zwischen dem Wellenlängenkonversionsstoff der wellenlängenkonvertierenden Schicht und dem Halbleiterkörper ist im Wesentlichen durch den inneren Formkörper gefüllt. Besonders bevorzugt ist der Raum zwischen der wellenlängenkonvertierenden Schicht und dem Halbleiterkörper vollständig mit dem inneren Formkörper gefüllt. Besonders bevorzugt ist der innere Formkörper als Verguss ausgeführt. Da der Wellenlängenkonversionsstoff beabstandet von der Strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist, wird die Temperaturbelastung des Wellenlängenkonversionstoffes vorteilhafterweise gering gehalten. Dies erhöht ebenfalls die Effizienz des Bauteils.
Die Auskoppellinse kann ein separat gefertigtes Element sein, das beispielsweise gefräst, gedreht oder spritzgegossen ist und in einem Montageschritt an dem optoelektronischen Bauelement befestigt wird.
Weiterhin ist es aber auch möglich, dass die Auskoppellinse auf dem optoelektronischen Bauelement gefertigt wird, beispielsweise indem die Auskoppellinse als Verguss auf dem optoelektronischen Bauelement hergestellt ist.
Bevorzugt ist eine Strahlungsemittierende Vorderseite des Halbleiterkörpers frei von der wellenlängenkonvertierenden Schicht. Besonders bevorzugt ist/sind auch der innere Formkörper und/oder die Auskoppellinse im Wesentlichen frei von Wellenlängenkonversionsstoff, das heißt, dass der innere Formkörper und/oder die Auskoppellinse bis auf geringe Verunreinigungen keinen Wellenlängenkonversionsstoff aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement mehrere Halbleiterkörper, die dazu vorgesehen sind, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Merkmale, die nur anhand eines Halbleiterkörpers beschrieben sind, können in dem Fall, dass das optoelektronische Bauelement mehrere Halbleiterkörper umfasst, auch von einigen oder allen Halbleiterkörpern aufgewiesen werden.
Umfasst das optoelektronische Bauelement mehrere Halbleiterkörper, so sind diese bevorzugt in einem symmetrischen, besonders bevorzugt in einem punktsymmetrischen Muster angeordnet. Die Halbleiterkörper können beispielsweise entlang einer Linie oder gemäß einem regelmäßigen Gitter angeordnet sein. Das regelmäßige Gitter kann beispielsweise nach Art eines quadratischen oder hexagonalen Gitters ausgebildet sein.
Umfasst das optoelektronische Bauelement mehrere Halbleiterkörper, so müssen diese nicht zwingend Strahlung desselben Wellenlängenbereichs aussenden. Vielmehr können die Halbleiterkörper Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aussenden. In diesem Fall ist es auch möglich, dass nicht nur ein Wellenlängenbereich konvertiert wird, sondern auch mehrere Wellenlängenbereiche. Hierzu weist das Bauelement in der Regel mehrere verschiedene Wellenlängenkonversionsstoffe auf .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes ist der innere Formkörper von einer weiteren Halbkugelfläche mit Radius Rinnen umschlossen, und die Strahlungsemittierende Vorderseite des Halbleiterkörpers weist eine Fläche A auf. Das Verhältnis A/π*Rinπeπ2 liegt bevorzugt zwischen 1/2 und 1/20, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Auch die weitere Halbkugelfläche ist, wie die innere und die äußere Halbkugelfläche eine virtuelle, gedachte, Halbkugelfläche, die nicht notwendigerweise in dem Bauelement als gegenständliches Merkmal ausgebildet sein muss.
Weist das optoelektronische Bauelement mehrere Halbleiterkörper auf, so sind die Halbleiterkörper von einer Fläche A' umfassbar und das Verhältnis A' /π*Rinnen 2 liegt bevorzugt zwischen 1/2 und 1/20, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Fläche A' kann beispielsweise ein die Halbleiterkörper einbeschreibender Kreis sein. Besonders bevorzugt ist die Fläche A' die minimale Fläche, die alle Halbleiterkörper des optoelektronischen Bauelementes umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform fällt eine Außenseite des inneren Formkörpers mit der weiteren Halbkugelfläche zumindest in einem Punkt zusammen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform fällt die Außenseite des inneren Formkörpers mit der weiteren Halbkugelfläche zusammen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der innere Formkörper nach Art einer Halbkugel geformt. In diesem Fall fällt die Außenseite des inneren Formkörpers mit der weiteren Halbkugelfläche zusammen. Besonders bevorzugt ist der innere Formkörper bei dieser Ausführungsform derart angeordnet, dass die Halbkugel über dem Halbleiterkörper zentriert ist . Das heißt, dass sich der Flächenschwerpunkt der
Strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers und der Mittelpunkt der Halbkugel auf einer optischen Achse des optoelektronischen Bauelementes befinden, wobei die optische Achse auf der Strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers senkrecht steht. Umfasst das optoelektronische Bauelement mehrere Halbleiterkörper, so sind diese bei dieser Ausführungsform bevorzugt gemäß einem punktsymmetrischen Muster angeordnet, wobei sich der Schwerpunkt des Musters, der in der Regel ebenfalls ein Symmetriepunkt des Muster ist, und der Mittelpunkt der Halbkugel auf der optischen Achse befinden.
Gemäß einer Ausführungsform fällt die innere Halbkugelfläche mit Radius Rkonversion mit der Innenseite der Auskoppellinse in zumindest einem Punkt zusammen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform fällt die Innenseite der Auskoppellinse mit der inneren Halbkugelfläche zusammen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform fällt die Außenseite der Auskoppellinse ebenfalls zumindest in einem Punkt mit der äußeren Halbkugelflache zusammen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform fällt die Außenseite der Auskoppellinse mit der äußeren Halbkugelfläche zusammen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die wellenlängenkonvertierende Schicht in direktem Kontakt auf den inneren Formkörper aufgebracht, das heißt, dass die wellenlängenkonvertierende Schicht eine gemeinsame Grenzfläche mit dem inneren Formkörper ausbildet.
Die wellenlängenkonvertierende Schicht weist gemäß einer weiteren Ausführungsform eine im Wesentlichen konstante Dicke auf. Besonders bevorzugt ist die wellenlängenkonvertierende Schicht als Halbkugelschale auf den inneren Formkörper aufgebracht, der bevorzugt ebenfalls als Halbkugel ausgebildet ist. In diesem Fall ist die Weglänge der Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs innerhalb der wellenlängenkonvertierenden Schicht im Wesentlichen konstant.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auskoppellinse in direktem Kontakt auf die wellenlängenkonvertierende Schicht aufgebracht, das heißt, die Auskoppellinse bildet mit der wellenlängenkonvertierenden Schicht eine gemeinsame Grenzfläche aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auskoppellinse nach Art einer Halbkugelschale gebildet, die zentriert über dem Halbleiterkörper angeordnet ist, das heißt, dass der Flächenschwerpunkt der Strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers und der Mittelpunkt der Halbkugelschale auf der optischen Achse des optoelektronischen Bauelementes angeordnet sind. Umfasst das optoelektronische Bauelement mehrere Halbleiterkörper, so sind diese bei dieser Ausführungsform bevorzugt gemäß einem punktsymmetrischen Muster angeordnet, wobei sich der Schwerpunkt des Musters, der in der Regel ein Symmetriepunkt des Muster ist, und der Mittelpunkt der Halbkugelschale auf der optischen Achse des optoelektronischen Bauelements befinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Halbleiterkörper auf einen Träger aufgebracht, wobei der Träger zumindest seitlich des Halbleiterkörpers einen Spiegel aufweist. Der Spiegel hat die Aufgabe, Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs, die zu einer Rückseite des optoelektronischen Bauelementes gesandt wird, zu einer Strahlungsemittierenden Vorderseite des optoelektronischen Bauelementes umzulenken, die dessen Rückseite gegenüberliegt. Die Rückseite des optoelektronischen Bauelementes kann beispielsweise durch den Träger gebildet sein. Die Strahlungsemittierende Vorderseite des Bauelementes kann beispielsweise durch die Außenseite der Auskoppellinse gebildet sein. Weiterhin können auf der Außenseite der Auskoppellinse auch weitere Elemente, beispielsweise eine Antireflektionsbeschichtung oder eine UV-absorbierende Schicht, angeordnet sein.
Der Spiegel kann auch unterhalb des Halbleiterkörpers zwischen dem Halbleiterkörper und dem Träger ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt weist der Spiegel einen Reflexionsgrad für Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs auf, der mindestens 0,9 beträgt. Besonders bevorzugt weist der Spiegel einen Reflexionsgrad für Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs auf, der mindestens 0,98 beträgt.
Weiterhin weisen Rauhigkeitsspitzen des Spiegels bevorzugt höchstens eine Höhe von 40 nm auf.
Besonders bevorzugt ist der Spiegel zumindest seitlich des Halbleiterkörpers spekular reflektierend für Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs ausgebildet.
Der Spiegel kann beispielsweise eine metallische Schicht aufweisen oder aus einer metallischen Schicht bestehen. Die metallische Schicht kann beispielsweise Aluminium aufweisen oder aus Aluminium bestehen.
Weiterhin kann der Spiegel eine metallische Schicht und einen Bragg-Spiegel aufweisen oder aus einer metallischen Schicht und einem Bragg-Spiegel bestehen. Der Spiegel kann auch als reflektionsverstärkendes oxidbasiertes Schichtsystem ausgebildet sein. Ein reflektionsverstärkendes oxidbasiertes Schichtsystem umfasst zumindest eine Schicht, die ein Oxid aufweist oder aus einem
Oxid besteht. Beispielsweise weist das reflektionsverstärkende oxidbasierte Schichtsystem zwei
Schichten auf, die ein Oxid umfassen, beispielsweise eine
Titanoxidschicht und eine Siliziumoxidschicht.
Umfasst der Spiegel eine metallische Schicht und einen Bragg- Spiegel, so sind diese bevorzugt derart angeordnet, dass die Oberfläche des Spiegels durch den Bragg-Spiegel gebildet wird. Ein Spiegel, dessen Oberfläche durch einen Bragg- Spiegel gebildet wird, weist in der Regel eine geringe Rauhigkeit mit Rauhigkeitsspitzen nicht höher als 40 nm auf. Weiterhin ist ein solcher Spiegel in der Regel spekular reflektierend für Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs ausgebildet.
Der Bragg-Spiegel ist beispielsweise alternierend aus jeweils zwei Siliziumoxidschichten und aus zwei Titanoxidschichten aufgebaut, das heißt, der Bragg-Spiegel weist zwei Siliziumoxidschichten auf und zwei Titanoxidschichten, die abwechseln angeordnet sind. Die Siliziumoxidschichten umfassen Siliziumoxid oder bestehen aus Siliziumoxid. Die Titanoxidschichten umfassen Titanoxid oder bestehen aus Titanoxid.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Halbleiterkörper in einem Reflektorbereich des Trägers angeordnet. Der Reflektorbereich ist beispielsweise durch eine Vertiefung innerhalb des Trägers gebildet, die bevorzugt schräge Seitenwände aufweist.
Bei dem Träger kann es sich um eine Leiterplatte, etwa eine Metallkernplatine handeln. Weiterhin kann der Träger auch eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Kupfer, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid.
Der Wellenlängenkonversionsstoff weist bevorzugt zumindest einen Stoff aus der Gruppe auf, die durch die folgenden Materialien 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 .
Der Wellenlängenkonversionsstoff ist gemäß einer Ausführungsform in einem Bindemittel eingebettet.
Alternativ kann der Wellenlängenkonversionsstoff auch in Form einer Schicht auf den inneren Formkörper aufgebracht sein, beispielsweise mittels Elektrophorese.
Der innere Formkörper und/oder die Auskoppellinse und/oder das Bindemittel weisen gemäß einer Ausführungsform ein Silikon auf oder bestehen aus einem solchen. Der innere Formkörper und/oder die wellenlängenkonvertierende Schicht können zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik streuende Partikel aufweisen.
Die streuenden Partikel weisen beispielsweise zumindest eines der folgenden Materialien auf oder bestehen aus einem solchen: Aluminiumoxid, Titanoxid.
Der Halbleiterkörper umfasst in der Regel eine aktive Zone, die zur Strahlungserzeugung beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach- Quantentopfstruktur umfasst. Beispiele für solche MehrfachquantentopfStrukturen sind beispielsweise in den Druckschriften WO 01/39282, WO 98/31055, US 5,831,277, EP 1 017 113 und US 5,684,309 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Umfasst die von dem Halbleiterkörper ausgesandte Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs nur sichtbare Strahlung, so ist in der Regel angestrebt, dass der
Wellenlängenkonversionsstoff nur einen Teil dieser Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, während ein weiterer Teil der vom Halbleiterkörper emittierten Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs die wellenlängenkonvertierende Schicht unkonvertiert durchläuft. Das optoelektronische Bauelement sendet in diesem Fall Mischlicht aus, das Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umfasst. Sendet der Halbleiterkörper beispielsweise sichtbares Licht aus dem blauen Spektralbereich aus, so kann ein Teil dieser sichtbaren blauen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs mittels des Wellenlängenkonversionsstoffes in gelbe Strahlung umgewandelt werden, so dass das optoelektronische Bauelement Mischlicht mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE- Normfarbtafel aussendet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die wellenlängenkonvertierende Schicht innerhalb eines Innenbereiches, der über dem Halbleiterkörper angeordnet ist, dicker ausgeführt, als innerhalb eines Außenbereiches der wellenlängenkonvertierenden Schicht, der seitlich des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Der Außenbereich der wellenlängenkonvertierenden Schicht ist bevorzugt zumindest teilweise umlaufend um den Innenbereich der wellenlängenkonvertierenden Schicht angeordnet. Bei dieser Ausführungsform umfasst der erste Wellenlängenbereich bevorzugt blaue Strahlung, während der zweite Wellenlängenbereich gelbe Strahlung aufweist. Das Bauelement sendet bevorzugt Mischlicht mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel aus. Eine wellenlängenkonvertierende Schicht, deren Dicke innerhalb des Innenbereiches über dem Halbleiterkörper größer ist als innerhalb eines Außenbereiche seitlich des Halbleiterkörpers, führt in der Regel zu einer bezüglich des Farbortes besonders homogenen Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelementes .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sendet der Halbleiterkörper Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aus, der ultraviolette Strahlung umfasst. Die ultraviolette Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs wird zumindest teilweise von dem Wellenlängenkonversionsstoff der wellenlängenkonvertierenden Schicht in sichtbare Strahlung umgewandelt. Der zweite Wellenlängenbereich weist somit sichtbare Strahlung auf. Sendet der Halbleiterkörper elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich aus, so ist in der Regel angestrebt, einen möglichst großen Anteil der ultravioletten Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in sichtbares Licht umwandelt, da die ultraviolette Strahlung nicht zur wahrnehmbaren Helligkeit des Bauelementes beiträgt und weiterhin sogar das menschliche Auge schädigen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auskoppellinse absorbierend und/oder reflektierend für elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich ausgebildet. Die Auskoppellinse kann hierzu beispielsweise Glas umfassen oder aus Glas bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf der Innenseite der Auskoppellinse eine reflektierende Schicht angeordnet, die für Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs reflektierend ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird eine solche reflektierende Schicht in Kombination mit einem Halbleiterkörper eingesetzt, der Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich aussendet. In diesem Fall ist die reflektierende Schicht bevorzugt reflektierend für ultraviolette Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und durchlässig für sichtbare Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, die reflektierende Schicht in Kombination mit einem Halbleiterkörper anzuwenden, der sichtbare Strahlung aussendet, beispielsweise, wenn eine nahezu vollständige Konversion der Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs angestrebt ist.
Die reflektierende Schicht kann beispielsweise ein dielektrischer Spiegel sein.
Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur IA, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ,
Figur IB, eine schematische perspektivische Darstellung des optoelektronischen Bauelementes gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur IA,
Figur 2A, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 2B, eine schematische perspektivische Darstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ,
Figur 3, den simulierten Verlauf der Cx-Koordinate des Farbortes in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels Θ dreier verschiedener optoelektronischer Bauelemente, Figur 4, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Figur 5, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ,
Figur 6A, eine schematische Draufsicht auf ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, und
Figur 6B, eine schematische Schnittdarstellung des optoelektronischen Bauelementes gemäß Figur 6A.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente der Figuren sind nicht notwendigerweise als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile, wie beispielsweise Schichtdicken, zum besseren Verständnis teilweise übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB weist einen Halbleiterkörper 1 auf, der dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs zu emittieren. Der Halbleiterkörper 1 ist in einen strahlungsdurchlässigen inneren Formkörper 2 derart eingebettet, dass kein luftgefüllter Raum zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem inneren Formkörper 2 vorhanden ist. Der innere Formkörper 2 ist als Halbkugel mit Radius Ri ausgebildet, die zentriert über dem Halbleiterkörper 1 angeordnet ist, das heißt, dass der Flächenschwerpunkt M einer Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 und der Mittelpunkt M' der Halbkugel, die durch den inneren Formkörper 2 ausgebildet ist, auf einer optischen Achse 4 des optoelektronischen Bauelementes liegen, wobei die optische Achse 4 senkrecht auf der
Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 steht.
Auf einer Außenseite 5 des inneren Formkörpers 2 ist eine wellenlängenkonvertierende Schicht 6 aufgebracht. Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 ist in direktem Kontakt auf den inneren Formkörper 2 aufgebracht, das heißt, die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 bildet eine gemeinsame Grenzfläche mit dem inneren Formkörper 2 aus.
Weiterhin weist die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 eine im Wesentlichen konstante Dicke D auf . Die Außenseite 7 der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 bildet daher eine Halbkugelfläche mit Radius R2 aus. Das Verhältnis des Radius R1 zu Radius R2 weist beispielsweise einen Wert zwischen 0,5 und 0,99 auf, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Bevorzugt weist das Verhältnis des Radius Rx zu Radius R2 einen Wert zwischen 0,6 und 0,95 auf, wobei wiederum die Grenzen eingeschlossen sind. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis von Radius Rx zu Radius R2 ca. 0,8.
Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 umfasst einen Wellenlängenkonversionsstoff 8, der dazu geeignet ist, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, die von dem Halbleiterkörper 1 emittiert wird, in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereichs verschiedenen zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Der Wellenlängenkonversionsstoff 8 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.
Der Wellenlängenkonversionsstoff 8 der wellenlängenkonvertierenden Schi »cht 6 ist in ein Bindemittel
9 eingebracht. Bei dem Bindemittel 9 kann es sich beispielsweise um ein Silikon handeln.
Alternativ kann der Wellenlängenkonversionsstoff 8 auch in Form einer Schicht auf den inneren Formkörper 2 aufgebracht sein, beispielsweise mittels Elektrophorese.
Weiterhin umfasst das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB eine Auskoppellinse
10 mit einem Brechungsindex nLinse, in die der innere Formkörper 2 und die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 eingebettet sind. Die Auskoppellinse 10 bildet vorliegend mit der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 eine gemeinsame Grenzfläche aus, das heißt, die Auskoppellinse 10 steht in direktem Kontakt mit der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6. Die Auskoppellinse 10 ist weiterhin vorliegend als eine Halbkugelschale mit einem inneren Radius R2 und einem äußeren Radius R3 ausgebildet. Die Auskoppellinse 10 des optoelektronischen Bauelementes erfüllt die Weierstrass-Bedingung, wie im Folgenden erläutert. Eine Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 mit Radius R2 ist von einer inneren Halbkugelfläche Hinnen mit Radius Rkonversion umschlossen, während eine Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 eine äußere Halbkugelfläche Haussen mit
Radius Rausseπ Umschließt . Die Radien Rkonversion Und Raussen erfüllen die Weierstrass-Bedingung: RaUssen ≥ Rkonversion * niinse / F-Luft» wobei niuft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse, typischerweise der Luft, ist.
Die innere Halbkugelfläche Hinnen und die äußere Halbkugelfläche HaUßen sind virtuelle Flächen, die in der Figur gestrichelt dargestellt sind.
Vorliegend fällt die innere Halbkugelflache Hinnen mit der Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 zusammen und es gilt R2 = Rkonversion- Die äußere Halbkugelflache Haussen fällt mit der Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 zusammen und es gilt R3 =
Weist die Auskoppellinse 10 ein Silikon mit einem Brechungsindex niinse von ca. 1,46 auf, so erfüllen beispielsweise folgende Werte für die Radien Rkonversion und
Raussen die WeierStraSS -Bedingung : Rkonversion = 2 , 2 mm Und Raussen
= 4 mm.
Die Strahlungsemittierende Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 ist vorliegend quadratisch ausgebildet und weist eine Fläche A auf. Der inneren Formkörper 2 ist von einer weiteren, ebenfalls virtuellen, Halbkugelflache H3 mit Radius Rinnen umschlossen. Vorliegend fällt eine Außenseite 13 des inneren Formkörpers 2 mit der weiteren Halbkugelfläche H3 zusammen und es gilt: Riπnen = Ri. Das Verhältnis A/π*Rinnen 2 liegt hierbei bevorzugt zwischen 1/2 und 1/20, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Diese Bedingung wird beispielsweise mit einem halbkugelförmigen inneren Formkörper mit Radius R1 = 2 mm und einem Halbleiterkörper, dessen quadratische Strahlungsemittierende Vorderseite eine Seitenlänge 1 = 1 mm aufweist, erfüllt.
Der innere Formkörper 2 kann beispielsweise als Verguss ausgeführt sein. Er kann beispielsweise ein Silikon und/oder ein Epoxid aufweisen oder aus einem dieser Materialien bzw. einem Gemisch dieser Materialien bestehen.
Die Auskoppellinse 10 kann beispielsweise ebenfalls Epoxid oder Silikon aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen. Weiterhin kann die Auskoppellinse 10 auch ein Glas umfassen oder aus einem Glas bestehen. Eine Auskoppellinse 10 aus Glas kann beispielsweise separat gefertigt und auf das Bauelement aufgebracht werden, während eine Auskoppellinse 10 aus einem Vergussmaterial wie Silikon oder Epoxid in der Regel auf dem Bauelement erzeugt wird, beispielsweise durch Gießen oder durch Spritzgießen.
Der innere Formkörper 2 , die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 und die Auskoppellinse 10 können beispielsweise durch ein sequentielles Spritzgussverfahren hergestellt werden. In diesem Fall ist der Wellenlängenkonversionsstoff 8 in der Regel in ein Bindemittel 9 eingebracht und die Auskoppellinse 10 weist ein spritzgießfähiges Material, wie etwa ein Silikon, auf. Der Halbleiterkörper 1 des optoelektronischen Bauelements gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB ist auf einen Träger 14 aufgebracht. Bei dem Träger 14 kann es sich beispielsweise um eine Leiterplatte handeln. Der Träger 14 kann auch eines der folgenden Materialien umfassen oder aus einem dieser Materialien bestehen: Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid.
Seitlich des Halbleiterkörpers 1 auf dem Träger 14 ist vorliegend ein Spiegel 15 angeordnet, der auch zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem Träger 14 ausgebildet ist. Der Spiegel 15 weist bevorzugt einen Reflexionsgrad für Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs von mindestens 0,9 auf. Besonders bevorzugt weist der Spiegel 15 einen Reflexionsgrad von mindestens 0,98 für Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs auf .
Der Spiegel 15 kann beispielsweise durch eine metallische Schicht 26 gebildet sein. Weiterhin kann der Spiegel 15 auch eine metallische Schicht 26 und einen Bragg-Spiegel 27 umfassen. In diesem Fall ist die metallische Schicht 26 bevorzugt zwischen dem Träger 14 und dem Bragg-Spiegel 27 angeordnet, während der Bragg-Spiegel 27 die Oberfläche des Spiegels 15 ausbildet. In der Regel weist die Oberfläche des Spiegels 15 in diesem Fall Rauhigkeitsspitzen auf, die nicht höher als 40 nm ausgebildet sind. Ein solcher Spiegel 15 ist insbesondere in der Regel spekular reflektierend für sichtbare Strahlung ausgebildet.
Die metallische Schicht 26 kann beispielsweise Aluminium aufweisen oder aus Aluminium bestehen. Der Bragg-Spiegel 27 ist beispielsweise alternierend aus jeweils zwei Siliziumoxidschichten und aus zwei Titanoxidschichten aufgebaut, das heißt, der Bragg-Spiegel weist zwei Siliziumoxidschichten und zwei Titanoxidschichten auf, die abwechseln angeordnet sind. Die
Siliziumoxidschichten umfassen Siliziumoxid oder bestehen aus Siliziumoxid. Die Titanoxidschichten umfassen Titanoxid oder bestehen aus Titanoxid.
Wie Figur IB zeigt, ist der Spiegel 15 bei dem Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB kreisförmig mit einem Radius Rspiegei ausgebildet. Der Halbleiterkörper 1 ist zentriert auf dem kreisförmigen Spiegel 15 angeordnet, das heißt, dass der Flächenschwerpunkt M der Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 und der Mittelpunkt des kreisförmigen Spiegels 15 auf der optischen Achse 4 des optoelektronischen Bauelementes liegen, die senkrecht auf der
Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 steht.
Auch die Auskoppellinse 10, die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 und der innere Formkörper 2 sind zentriert über dem Halbleiterkörper 1 aufgebracht, das heißt, dass der Mittelpunkt M' der Halbkugel bzw. Halbkugelschale, die jeweils durch den inneren Formkörper 2, die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 sowie die Auskoppellinse 10 ausgebildet sind und der Flächenschwerpunkt M der Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 auf der optischen Achse 4 des optoelektronischen Bauelementes liegen. Weiterhin stimmt der Radius R3 der Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 vorliegend mit dem Radius RSpiegei des Kreises überein, den der Spiegel 15 ausbildet. Die Auskoppellinse 10 schließt somit seitlich mit dem Spiegel 15 ab.
Weiterhin sind der Halbleiterkörper 1, der innere Formkörper 2, die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 und die Auskoppellinse 10 rotationssymmetrisch zur optischen Achse 4 des optoelektronischen Bauelementes angeordnet.
Wie Figur IB zeigt, weist das optoelektronische Bauelement weiterhin zwei externe elektrische Anschlussstellen 16 auf, die dazu vorgesehen sind, das optoelektronische Bauelement elektrisch zu kontaktieren.
Im Unterschied zu dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB weist das optoelektronische Bauelement gemäß der Figur 2A eine wellenlängenkonvertierende Schicht 6 auf, deren Dicke D variiert. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden im Folgenden nur die Unterschiede zwischen dem Bauelemente gemäß der Figur 2A und dem Bauelement gemäß der Figuren IA und IB beschrieben. Nicht näher beschriebene Elemente bzw. Merkmale, wie etwa der Träger 14 oder der Spiegel 15 können beispielsweise wie anhand der Figuren IA und IB bereits beschrieben ausgeführt sein.
Das optoelektronische Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 1, der dazu geeignet ist, Licht eines ersten Wellenlängenbereichs auszusenden, der sichtbare blaue Strahlung umfasst .
Der Wellenlängenkonversionsstoff 8 der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 wandelt einen Teil der blauen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um, der sichtbare gelbe Strahlung umfasst . Hierzu ist als
Wellenlängenkonversionsstoff 8 beispielsweise YAG: Ce geeignet. Ein weiterer Teil der von dem Halbleiterkörper 1 emittierten blauen Strahlung durchläuft die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 unkonvertiert . Das optoelektronische Bauelement sendet von seiner Vorderseite 17, die vorliegend durch die Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 gebildet ist, Mischlicht aus, das Anteile an blauer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs sowie Anteile gelber Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umfasst. Dieses Mischlicht weist bevorzugt einen Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel auf.
Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 ist vorliegend derart ausgebildet, dass sie in einem Innenbereich 18 über dem Halbleiterkörper 1 dicker ausgebildet ist als in einem Außenbereich 19 seitlich des Halbleiterkörpers 1. Das Verhältnis zwischen der Dicke D der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 im Innenbereich 18 zu der Dicke D der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 im Außenbereich 19 beträgt bevorzugt ca. 5,5.
Durch die Variation in der Dicke der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 wird ein größerer Teil der blauen Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches, die den Innenbereich 18 der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 durchläuft, von dem Wellenlängenkonversionsstoff 8 in gelbe Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umgewandelt als von der blauen Strahlung, die die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 in ihrem Außenbereich 19 durchläuft. Da der Halbleiterkörpers 1 jedoch die blaue Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs im Wesentlichen von seiner Vorderseite 3 aussendet, ist der Anteil an blauer Strahlung größer, der in Richtung des Innenbereiches 18 ausgesandt wird, als der Anteil an Strahlung, der in Richtung des Außenbereiches 19 verläuft. Durch die Variation der Dicke D der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 wird daher die Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelementes hinsichtlich des Farbortes homogenisiert.
Weiterhin kann die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 streuende Partikel 25 aufweisen, die dazu vorgesehen sind, unkonvertierte Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches und konvertierte Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches zu mischen. Alternativ oder zusätzlich kann auch der innere Formkörper 2 streuende Partikel 25 aufweisen. Die streuenden Partikel 25 weisen beispielsweise Aluminiumoxid oder Titanoxid auf oder bestehen aus einem dieser Materialien.
Die Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren IA und IB, als eine Halbkugelflache mit Radius R3 ausgebildet. Da die Auskoppelfläche aber - ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren IA und IB - in direktem Kontakt auf die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 aufgebracht ist, ist die Innenseite 11 der Auskoppeilinse 110 an die Außenseite 7 der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 angepasst. Die Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 ist daher innerhalb eines Innenbereiches, der dem Innenbereich 19 der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 entspricht, gegenüber einer Halbkugelflache abgeflacht.
Die Auskoppellinse 10 entspricht jedoch ebenso wie der Auskoppellinse 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB der Weierstrass-Bedingung wie im Folgenden erläutert. Die äußere Halbkugelflache Haußen fällt mit der Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 zusammen und es gilt R3 = Raussen- Die Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 ist von einer inneren Halbkugelfläche Hiπnen mit einem Radius Rkonversion umschlossen und es gilt: RauSsen ≥ Rkonversion * nLinse/muft . Insbesondere ist die Weierstrass-Halbkugelschale, die durch die innere Halbkugelflache Hinnen und die äußere Halbkugelfläche Haussen gebildet ist, frei von der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6.
Da die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 in direktem Kontakt auf den inneren Formkörper 2 aufgebracht ist, weicht auch die Form des inneren Formkörpers 2 von der Form des inneren Formkörpers 2 ab, wie er anhand der Figuren IA und IB beschrieben wurde. Die Außenseite 13 des inneren Formkörpers 2 ist gegenüber einer Halbkugelflache abgeflacht.
Weiterhin sind der Halbleiterkörper 1, der innere Formkörper 2, die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 und die Auskoppellinse 10 rotationssymmetrisch zur optischen Achse 4 des optoelektronischen Bauelementes angeordnet, die senkrecht auf der Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 steht.
Das Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2B weist wie das Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2A eine wellenlängenkonvertierende Schicht 6 mir variabler Dicke D auf. Im Folgenden werden, um Wiederholungen zu vermeiden, nur die Unterschiede zwischen dem Bauelement gemäß Figur 2A und dem Bauelement gemäß Figur 2B beschrieben. Die übrigen Elemente und Merkmale des Bauelementes gemäß der Figur 2B können beispielsweise, wie anhand Figur 2A bereits beschrieben, ausgebildet sein. Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 des Bauelements gemäß Figur 2A ist in einem Innenbereich 18 über dem Halbleiterkörper 1 dicker ausgebildet als in einem Außenbereich 19 seitlich des Halbleiterkörpers 1. Daher weicht die Außenseite 5 des inneren Formkörpers 2 von einer Halbkugelform ab. Die Außenseite 7 der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 ist jedoch derart ausgebildet, dass sie eine Halbkugelflache mit Radius R2 ausbildet. Daher bildet die Innenseite 11 der Auskoppellinse 10, die in direktem Kontakt auf die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 aufgebracht ist, ebenfalls eine Halbkugelfläche aus. Die Auskoppellinse 10 erfüllt die Weierstrass-Bedingung: Raussen ≥ Rkonversion * nLinse / niuft/ wobei die innere Halbkugelflache Hi1U16n mit Radius Rκonverison mit der Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 zusammenfällt und es gilt Rkonversion=R2 • Die äußere Halbkugelfläche HaUßen fällt mit der Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 zusammen und es gilt
Im Innenbereich 18 beträgt das Verhältnis zwischen der Dicke D der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 und dem Radius R2 beispielsweise ca. 0,44, während das Verhältnis zwischen der Dicke D der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 und dem Radius R2 innerhalb des Außenbereiches 19 beispielsweise einen Wert von ca. 0,08 beträgt. Der Übergang zwischen dem Innenbereich 18 und dem Außenbereich 19 in der Dicke D der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 verläuft hierbei in der Regel kontinuierlich.
Figur 3 zeigt den simulierten Verlauf der Cx-Koordinate des Farbortes in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels dreier verschiedener optoelektronischer Bauelemente. Zum Einen ist der simulierte Cx-Wert des Farbortes in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels Θ eines herkömmlichen Bauelementes dargestellt, bei dem die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 direkt auf die Strahlungsemittierende Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht ist (Kurve 1) . Der Farbort der von einem solchen Bauelement ausgesandten Strahlung variiert deutlich mit dem Abstrahlwinkel Θ. Der Cx-Wert des Farbortes ist hierbei für kleine Abstrahlwinkel Θ deutlich kleiner ist als für große Abstrahlwinkel Θ. Dies bedeutet, dass ein Innenbereich der Strahlungsemittierende Vorderseite des optoelektronischen Bauelementes einen bläulichen Farbeindruck aufweist, während ein Außenbereich des Strahlungsemittierenden Vorderseite des optoelektronischen Bauelement einen gelblichen Farbeindruck beim Betrachter hinterlässt.
Weiterhin zeigt Figur 3 den simulierten Verlauf des Cx-Wertes des Farbortes eines optoelektronischen Bauelementes mit einem inneren Formkörper 2, einer wellenlängenkonvertierende Schicht 6 mit konstanter Dicke D auf dem inneren Formkörper und einer Auskoppellinse, wie es oben anhand der Figuren IA und IB beschrieben wurde (Kurve 2) . Auch ein solches optoelektronisches Bauelement weist noch eine geringe
Schwankung des Cx-Wertes mit dem Abstrahlwinkel Θ auf . Diese ist jedoch gegenüber einem herkömmlichen Bauelement deutlich vermindert .
Die dritte Kurve (Kurve 3) in dem Graph der Figur 3 zeigt den simulierten Verlauf des Cx-Wertes mit dem Abstrahlwinkel Θ für ein Bauelement, dessen wellenlängenkonvertierende Schicht 6 über dem Halbleiterkörper 1 dicker ausgebildet ist als seitlich, wie es anhand der Figuren 2A und 2B beschrieben wurde. Wie Figur 3 zu entnehmen, ist die Abstrahlcharakteristik eines solchen Bauelementes hinsichtlich des Farbortes nahezu homogen ausgebildet.
Das Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist im Unterschied zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen einen Träger 14 mit einem Reflektorbereich 20 auf, auf den der Halbleiterkörper 1 aufgebracht ist .
Der Reflektorbereich 20 ist gegenüber der übrigen Oberfläche des Trägers 14 abgesenkt. Der Reflektorbereich 20 bildet vorliegend eine Kavität mit schrägen Seitenwänden 21 aus. Der Reflektorbereich ist dafür vorgesehen, Strahlung des Halbleiterkörpers zur Strahlungsemittierenden Vorderseite des optoelektronischen Bauelementes zu lenken. Daher ist der Spiegel 15 insbesondere auf dem Reflektorbereich 20 des Trägers 14 ausgebildet. Der Reflektorbereich ist vorliegend rotationssymmetrisch zur optischen Achse 4 des Bauelementes ausgebildet, die auf der Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 senkrecht steht und durch den Flächenschwerpunkt M der Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 verläuft.
Der Halbleiterkörper 1 ist vorliegend in einen Formkörper 2 derart eingebettet, das kein luftgefüllter Raum zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem inneren Formkörper 2 vorliegt. Dies bedeutet vorliegend, dass die Kavität, die durch den Reflektorbereich 20 in dem Träger 14 gebildet ist, vollständig mit dem inneren Formkörper 2 ausgefüllt ist. Weiterhin ist die Außenseite 5 des inneren Formkörpers 2 gemäß einer Halbkugelfläche mit Ri=Rinnen ausgebildet. Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 und die Auskoppellinse 10 sind, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren IA und IB als Halbkugelschalen ausgeführt, die jeweils in direktem Kontakt miteinander bzw. mit dem inneren Formkörper aufgebracht sind. Der Mittelpunkt M' der Halbkugelschalen, die durch die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 und die Auskoppellinse 10 ausgebildet sind, liegt im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB jedoch auf Grund des Reflektorbereiches 20 in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers 1 über dem Halbleiterkörper 1. Die Weierstrass-Bedingung gilt jedoch ebenfalls für die Auskoppellinse 10. Das heißt, dass der Radius Rkonversion der inneren Halbkugelflache Hinnen und der Radius der äußeren Halbkugelflache Haussen mit Radius Raussen die Weierstrass- Bedingung: Raussen ≥ Rkonversion * niinse / nLuft, erfüllen.
Vorliegend fällt die innere Halbkugelflache Hinnen mit der Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 zusammen und es gilt R2 = Rkonversion- Die äußere Halbkugelflache Haussen fällt mit der Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 zusammen und es gilt R3 =
K-aussen •
Die übrigen Elemente bzw. Merkmale des Bauelementes gemäß der Figur 4 können beispielsweise wie bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB ausgeführt sein. Um Wiederholungen zu vermeiden werden, diese daher vorliegend nicht weiter beschrieben.
Das optoelektronische Bauelement gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 5 weist im Unterschied zu dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB eine Auskoppellinse 10 auf, deren Außenseite 12 von einer Halbkugelfläche abweicht. Die Außenseite 12 der Auskoppeilinse 10 ist in einem Innenbereich 22 sphärisch gekrümmt mit einem Krümmungsradius Rkrümmung > Raussen/ wobei RaUssen der äußere Radius der virtuellen Weierstrass-Halbkugelschale ist. Weiterhin weist die Auskoppellinse 10 schräge Seitenflächen 23 auf, die den Innenbereich der Auskoppellinse 10 seitlich begrenzen.
Die Auskoppellinse 10 mit Brechungsindex niinse gehorcht der Weierstrass-Bedingung, wie im Folgenden erläutert. Die Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 mit Radius R2 fällt mit der Halbkugelfläche Hinnen zusammen und es gilt Rkonversion = R2/ während die Außenseite 12 der Auskoppellinse 10 eine äußere Halbkugelflache Haussen mit Radius Raussen umschließt. Die Radien Rkonversion und Raussen erfüllen die Weierstrass-Bedingung: Raussen ≥ Rkonversion * niinse / nLuft , wobei niuft der Brechungsindex der Luft ist.
Die übrigen Elemente bzw. Merkmale des Bauelementes gemäß der Figur 5 können beispielsweise wie bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB ausgeführt sein. Um Wiederholungen zu vermeiden werden, diese daher vorliegend nicht weiter beschrieben.
Im Unterschied zu dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB weist das optoelektronische Bauelement gemäß der Figuren 6A und 6B mehrere Halbleiterkörper 1 auf. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden im Folgenden nur die Unterschiede zwischen dem Bauelement gemäß der Figuren 6A und 6B und dem Bauelement gemäß der Figuren IA und IB beschrieben. Nicht beschriebene Elemente bzw. Merkmale können beispielsweise gemäß dem Bauelement des Ausführungsbeispiels der Figuren IA und IB überein. Die Halbleiterkörper 1 des Bauelementes gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 6A und 6B sind in einem regelmäßigen Muster, vorliegend gemäß einem quadratischen Gitter 24, angeordnet. Die Halbleiterkörper 1 liegen jeweils mit einem Flächenschwerpunkt M der Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 auf einem Gitterpunkt des quadratischen Gitters 24. Alternativ können die Halbleiterkörper 1 beispielsweise auch gemäß einem hexagonalen Gitter angeordnet sein. Die Halbleiterkörper 1 sind zentriert unterhalb des inneren Formkörpers 2 angeordnet, das heißt, dass ein Schwerpunkt S des quadratischen Gitters 24 und der Mittelpunkt M' der Halbkugel, die durch den inneren Formkörper 2 gebildet ist, auf der optischen Achse 4 des optoelektronischen Bauelementes liegen, wobei die optische Achse auf dem Spiegel 15 senkrecht steht. Auch die Auskoppellinse 10 ist zentriert über den Halbleiterkörpern 1 angeordnet, das heißt, dass der Schwerpunkt S des quadratischen Gitters 24 und der Mittelpunkt M' der Halbkugelschale, die die Auskoppellinse 10 ausbildet, auf der optischen Achse 4 des optoelektronischen Bauelementes liegen. Der Schwerpunkt S des quadratischen Gitters 24 ist vorliegend ebenfalls Symmetriepunkt des Gitters 24.
Die vier Halbleiterkörper 1 des optoelektronischen Bauelementes des Ausführungsbeispiels der Figuren 6A und 6B sind von einem Kreis mit Fläche A' einbeschrieben, wobei jeweils eine äußere Ecke eines Halbleiterkörpers 1 auf dem einbeschreibenden Kreis liegt. Der inneren Formkörper 2 ist von einer weiteren, ebenfalls virtuellen, Halbkugelflache H3 mit Radius Rlnnen umschlossen. Vorliegend fällt eine Außenseite 13 des inneren Formkörpers 2 mit der weiteren Halbkugelflache H3 zusammen und es gilt: Rinnen = Ri- Das Verhältnis A'/π*Rinnen2 liegt hierbei bevorzugt zwischen 1/2 und 1/20, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Die Halbleiterkörper 1 senden beispielsweise ultraviolette Strahlung aus, das heißt, dass der erste Wellenlängenbereich ultraviolette Strahlung umfasst. In diesem Fall ist in der Regel eine vollständige Konversion der ultravioletten Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs durch den Wellenlängenkonversionsstoff 8 in sichtbare Strahlung angestrebt. Weiterhin ist die Auskoppellinse 10 in diesem Fall absorbierend für ultraviolette Strahlung ausgebildet, beispielsweise indem sie ein Glas aufweist. Weiterhin ist, wie in Figur 6B gezeigt, in diesem Fall bevorzugt eine reflektierende Schicht 28 auf der Innenseite 11 der Auskoppellinse 10 angeordnet, die reflektierend für ultraviolette Strahlung und durchlässig für sichtbare Strahlung ausgebildet ist. Bei der reflektierenden Schicht 18 kann es sich beispielsweise um einen dielektrischen Spiegel handeln.
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 von Merkmalen selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind.

Claims

Patentansprüche :
1. Optoelektronisches Bauelement mit:
- zumindest einem Halbleiterkörper (1) , der dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zu emittieren,
- einem inneren strahlungsdurchlässigen Formkörper (2) , in den der Halbleiterkörper (1) eingebettet ist,
- einer wellenlängenkonvertierenden Schicht (6) auf einer Außenseite (5) des inneren Formkörpers (2) , die einen Wellenlängenkonversionsstoff (8) umfasst, der dazu geeignet ist, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln,
- einer Auskoppellinse (10) , in die der innere Formkörper (2) und 'die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) eingebettet sind, wobei
- die Auskoppellinse (10) eine Innenseite, die von einer inneren Halbkugelfläche mit Radius Rkonversion umschlossen ist, und eine Außenseite, die eine äußere Halbkugelfläche mit Radius Raussen umschließt, aufweist, und die Radien Rkonversion und Raussen die Weierstrass-Bedingung:
^-aussen — Rkonversion ^Linse / ^-luft /
erfüllen, wobei nLinse der Brechungsindex der Auskoppellinse und niuft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse ist.
2. Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, das mehrere Halbleiterkörper (1) umfasst, die dazu vorgesehen sind, elektromagnetische Strahlung zu emittieren.
3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
- der innere Formkörper (2) von einer weiteren Halbkugelflache mit Radius Rinnen umschlossen ist,
- der Halbleiterkörper (1) eine Strahlungsemittierende Vorderseite (3) mit Fläche A aufweist, und
- das Verhältnis A/π*Rinnen2 zwischen 1/2 und 1/20 liegt, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der innere Formkörper (2) nach Art einer Halbkugel geformt ist und zentriert über dem Halbleiterkörper (1) angeordnet ist.
5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) als Halbkugelschale ausgebildet ist, die in direktem Kontakt auf den inneren Formkörper (2) aufgebracht ist.
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Auskoppellinse (10) nach Art einer Halbkugelschale geformt ist und zentriert über dem Halbleiterkörper (1) angeordnet ist und in direktem Kontakt auf die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) aufgebracht ist.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (1) auf einen Träger
(14) aufgebracht ist und der Träger (14) zumindest seitlich des Halbleiterkörpers (1) einen Spiegel (15) aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, bei dem der Spiegel (15) einen Reflektionsgrad von 0,98 für Strahlung des ersten und/oder der zweiten Wellenlängenbereichs aufweist.
9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem der Spiegel (15) zumindest seitlich des Halbleiterkörpers (1) spekular reflektierend für Strahlung des ersten und/oder der zweiten Wellenlängenbereichs ausgebildet ist.
10. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Halbleiterkörper (1) in einem Reflektorbereich (20) des Trägers (14) angeordnet ist.
11. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der innere Formkörper (2) und/oder die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) streuende Partikel
(25) aufweisen.
12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) innerhalb eines Innenbereiches (18) über dem Halbleiterkörper
(1) dicker ausgeführt ist, als innerhalb eines Außenbereiches
(19) seitlich des Halbleiterkörpers (1) .
13. Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der erste Wellenlängenbereich blaue Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs und der zweite Wellenlängenbereich gelbe Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs aufweist.
14. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der erste Wellenlängenbereich Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich umfasst.
15. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem auf der Innenseite (11) der Auskoppellinse
(10) eine reflektierende Schicht (28) angeordnet ist, die reflektierend für Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches ausgebildet ist und durchlässig für Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches .
EP08801318A 2007-09-28 2008-09-10 Optoelektronisches bauelement Withdrawn EP2193552A1 (de)

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