WO2007036214A1 - Strahlungsemittierendes optoelektronisches bauelement - Google Patents

Strahlungsemittierendes optoelektronisches bauelement Download PDF

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WO2007036214A1
WO2007036214A1 PCT/DE2006/001701 DE2006001701W WO2007036214A1 WO 2007036214 A1 WO2007036214 A1 WO 2007036214A1 DE 2006001701 W DE2006001701 W DE 2006001701W WO 2007036214 A1 WO2007036214 A1 WO 2007036214A1
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wavelength
radiation
optoelectronic component
component according
wavelength conversion
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PCT/DE2006/001701
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English (en)
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Dominik Eisert
Norbert Linder
Raimund Oberschmid
Dirk Berben
Frank Jermann
Martin Zachau
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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Priority to EP06791402A priority patent/EP1929548A1/de
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic component with wavelength conversion substance.
  • Such an optoelectronic component comprises a semiconductor body which emits electromagnetic radiation and a wavelength conversion substance which converts part of this radiation into radiation of other, generally larger, wavelengths.
  • the radiation of the semiconductor body can originate from the short-wave ultraviolet spectral range. Since ultraviolet radiation generally damages the human eye, DE 101 42 009 A1 proposes to place a UV-impermeable layer behind the wavelength conversion substance in the emission direction of the semiconductor body, which is preferably designed to be reflective on one or both sides for ultraviolet radiation.
  • An object of the present invention is to provide an optoelectronic device with
  • An optoelectronic component with high efficiency comprises in particular:
  • a semiconductor body comprising an active semiconductor layer sequence suitable for generating electromagnetic radiation of a first wavelength emitted from a front side of the semiconductor body
  • a first wavelength conversion substance arranged downstream of the semiconductor body in its emission direction, which surrounds radiation of the first wavelength in radiation of a second wavelength different from the first wavelength
  • a first selectively reflecting layer between the active semiconductor layer sequence and the first wavelength conversion substance which selectively reflects radiation of the second wavelength and is transmissive to radiation of the first wavelength.
  • the efficiency of the component is advantageously increased, since this prevents converted radiation of the second wavelength from being reflected back into and absorbed by the active semiconductor layer sequence of the semiconductor body .
  • the first selectively reflecting layer is adjacent to the semiconductor body, in particular to its radiation-emitting front side.
  • the first selectively reflecting layer covers at least partially, but preferably completely, a surface of the semiconductor body facing the radiation-emitting front side.
  • it also partially or completely covers the flanks of the semiconductor body, in other words surfaces of the semiconductor body which are formed perpendicular or at least at an angle to the radiation-emitting front side.
  • the first selectively reflecting layer is monolithically integrated into the radiation-emitting front side of the semiconductor body.
  • the first selectively reflective layer is typically fabricated with processes that are also used to make or are well compatible with the semiconductor body, such as sputtering or epitaxial growth. As a result, a technically simple manufacturing process is advantageously made possible.
  • the first selectively reflecting layer can also be slurried, spin-coated and / or sprayed on.
  • the first selectively reflecting layer is also formed laterally of the semiconductor body, for example on the bottom surface of a component housing or of a carrier on which the semiconductor body is mounted. Is the semiconductor body in the recess of a component housing Mounted with side surfaces, the side surfaces of the component housing which delimit the recess are preferably also provided with the first selectively reflecting layer.
  • another smooth or diffusely reflecting layer is formed laterally of the semiconductor body as an alternative to the first selectively reflecting layer.
  • This is preferably designed such that it reflects radiation of a significantly larger wavelength range, which particularly preferably comprises converted and unconverted radiation.
  • the absorption of unconverted radiation for example by the Mate_rial_ of a component housing or carrier on which the semiconductor body is mounted, is also significantly reduced.
  • a metal layer is preferably used, which has, for example, gold or silver.
  • the further reflective layer can generally be made much simpler, since the requirements for its reflectivity are lower.
  • the first selectively reflecting layer does not adjoin the semiconductor body but is spaced therefrom.
  • the first selectively reflecting layer is spaced from the radiation-emitting front side of the semiconductor body and arranged downstream of it in the emission direction.
  • the emission direction is understood in particular to be that direction which is defined by the distance vector directed from the main extension plane of the active semiconductor layer sequence to the radiation-emitting front side of the semiconductor body.
  • the first wavelength is from the ultraviolet, blue or green spectral range. Since wavelength conversion materials typically convert radiation to radiation of longer wavelengths, wavelengths from the short wavelength end of the visible spectral range and the ultraviolet spectral range are particularly suitable in conjunction with wavelength conversion applications.
  • a semiconductor body which is suitable for emitting ultraviolet, blue and / or green radiation generally comprises an active layer sequence based on a nitride or phosphide compound semiconductor material.
  • active layer sequence based on a nitride compound semiconductor material is meant in the present context an active layer sequence comprising a nitride III compound semiconductor material, preferably Al n Ga m In n m N, where O ⁇ n ⁇
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but in particular may contain one or more dopants and additional constituents which have the characteristic physical properties of Al n Ga m Ini_ n - m
  • the above formula contains only the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), although these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • phosphide compound semiconductor material active layer sequence an active layer sequence in the present context, comprising a phosphide III compound semiconductor material, preferably Al n Ga m ini- n - m P wherein O ⁇ n
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition in accordance with the above formula, but in particular may contain one or more dopants and additional constituents which have the characteristic physical properties of Al 2 O 3 n Ga m ini- n _ m do not change P-material substantially.
  • the above formula includes only the major components of the crystal lattice (Al, Ga, in, P), even if this other part by small amounts of substances to be replaced can.
  • the active layer sequence of the semiconductor body has grown epitaxially and preferably comprises a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or particularly preferably a multiple quantum well structure (MQW) for generating radiation.
  • quantum well structure does not contain any information about the dimensionality of the quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures. Examples of MQW structures are described in the publications WO 01/39282, US 5,831,277, US 6,172,382 Bl and US 5,684,309, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference.
  • a light-emitting diode chip (“LED chip” for short) can be used as the semiconductor body.
  • the component preferably emits mixed radiation comprising radiation of the first wavelength and radiation of the second wavelength.
  • the mixed radiation comprises radiation of such different colors that the color location of the mixed radiation lies in the white area of the CIE standard color chart.
  • a semiconductor body which emits radiation of a first wavelength from the blue spectral range in conjunction with a wavelength conversion substance which converts this blue radiation into radiation of a second wavelength from the yellow spectral range.
  • the semiconductor body used emits only radiation of a first wavelength from the non-visible spectral range, for example from the ultraviolet
  • the most complete possible conversion of this radiation is sought since this does not contribute to the brightness of the component.
  • short-wave radiation such as UV radiation
  • measures are preferably provided in such components, which are intended to prevent the device emits short-wave radiation.
  • Such measures can be, for example, absorber particles or reflective elements which are arranged downstream of the first wavelength conversion substance in the emission direction of the semiconductor body and which absorb the unwanted short-wave radiation or reflect back to the wavelength conversion substance.
  • the optoelectronic component comprises a second wavelength conversion substance which converts radiation of the first wavelength into radiation of a third wavelength different from the first and second wavelengths.
  • a semiconductor body which emits only radiation of a first wavelength from non-visible spectral regions, such as ultraviolet radiation when using a semiconductor body which emits only radiation of a first wavelength from non-visible spectral regions, such as ultraviolet radiation, as a rule the most complete possible conversion of this radiation is desired.
  • a second wavelength conversion substance which converts radiation of the first wavelength into radiation of a third wavelength different from the first and the second wavelength it is advantageously possible to obtain a component which emits mixed radiation of radiation of the second and radiation of the third wavelength.
  • a first wavelength conversion substance is preferably selected which converts a portion of the radiation of the first wavelength into radiation of a second wavelength from the yellow spectral range and a second wavelength conversion substance which contains the remaining portion of the radiation of the first wavelength - S -
  • Radiation of a third wavelength from the blue spectral range converts.
  • the component comprises a semiconductor body which emits only radiation of a first wavelength from the non-visible, ultraviolet spectral range
  • measures which are intended to prevent the component from emitting short-wave radiation are preferably arranged downstream of all wavelength conversion materials in the emission direction of the semiconductor body.
  • the optoelectronic component preferably emits mixed radiation having radiation of the first, second and third wavelengths when using a second wavelength conversion substance.
  • the color location of the mixed radiation can advantageously be set in particularly large areas of the CIE standard color chart.
  • the semiconductor body, the first wavelength conversion substance and the second wavelength conversion substance are coordinated with one another such that the first wavelength originates from the blue spectral range, the second wavelength from the red spectral range and the third wavelength length from the green spectral range. In this way, mixed radiation can be produced with a color location in the white area of the CIE standard color chart.
  • Wellenauerkonversionsschers is the first selectively reflecting layer preferably designed so that they in addition to the radiation of the second wavelength and the Radiation of the third wavelengths is selectively reflected so that the radiation converted by the second wavelength conversion substance is advantageously not absorbed in the active semiconductor layer sequence of the semiconductor body.
  • the optoelectronic component particularly preferably emits mixed radiation having a color locus in the white region of the CIE standard color chart, since these are used in a variety of applications, for example in the backlighting of displays or in the illumination of vehicles.
  • the semiconductor body is provided with a cladding permeable to the radiation of the component, which protects the semiconductor body, for example, against mechanical and chemical environmental influences.
  • the first wavelength conversion substance is covered by the sheath.
  • the first wavelength conversion substance may also be comprised by a wavelength conversion layer.
  • a wavelength conversion layer has the advantage that it is easy to reproducibly produce and furthermore contributes to a substantially homogeneous color impression of the component, since the path length of the radiation within a wavelength conversion layer is uniformly compared to the path length in an envelope.
  • the wavelength conversion layer has a constant thickness, since this effect then advantageously comes into its own. If a second wavelength conversion substance is used, then the cladding or the first
  • Wavelength conversion layer in addition to the first wavelength conversion material also include the second wavelength conversion substance. Furthermore, it is possible that the second wavelength conversion substance is comprised by a second wavelength conversion layer. Also, the second wavelength conversion layer preferably has a constant thickness for the reasons mentioned above.
  • one of the wavelength conversion layers is arranged adjacent to the semiconductor body, in particular if the first selectively reflecting layer is monolithically integrated in the latter.
  • the first selectively reflecting layer adjoins the semiconductor body without being integrated monolithically in it, or if it is spaced from the semiconductor body, in another embodiment one of the semiconductor bodies is connected to the semiconductor body
  • Wavelength conversion layers arranged adjacent to the first selectively reflecting layer, expediently adjacent to a side facing away from the semiconductor body surface of the first selectively reflecting layer.
  • the first and second wavelength conversion layers are spaced from the semiconductor body and from the first selectively reflecting layer.
  • the optoelectronic component comprises a cover element, which comprises the first and / or the second wavelength conversion layer.
  • the covering element may also comprise the first selectively reflecting layer.
  • the cover element preferably has a carrier substrate which contains or consists of glass, for example, and onto which the first wavelength conversion layer, the second wavelength conversion layer and / or the first selectively reflective layer is / are applied.
  • the carrier substrate has a main surface facing the semiconductor body and / or a main surface facing away from the semiconductor body. The first selectively reflecting layer is then preferably applied to the main body of the carrier substrate facing the semiconductor body, and / or the first wavelength conversion layer is applied to the main face of the carrier substrate facing away from the semiconductor body.
  • the optoelectronic component with _einem such cover is particularly easy to produce.
  • the first wavelength conversion layer on the carrier substrate is particularly easy to produce.
  • a cover element which in particular comprises the first selectively reflecting layer and the first and optionally second wavelength conversion layer, is preferably used in an optoelectronic component in which the semiconductor body is mounted in a recess, such as a reflector trough, which is part of a component housing, for example ,
  • the recess is at least partially filled in one embodiment with the enclosure.
  • the semiconductor body is electrically contacted, for example, by means of a bonding wire at its radiation-emitting front side.
  • the first selectively reflecting layer of the cover member prevents the emission in the first and / or second wavelength conversion layer
  • the covering element with the first selectively reflecting layer advantageously prevents, in addition to absorption losses in the semiconductor body, further absorption losses, for example at the reflector trough and / or the bonding wire, in the optoelectronic component.
  • the component is therefore particularly efficient.
  • the cover of the reflector pan and / or the envelope is arranged immediately below. For example, it is glued to the reflector pan and / or the enclosure.
  • the radiation-emitting surface of the cover is particularly small, so that the device is a light source with a small extension, which can be well visualized.
  • the sheath comprises a matrix material and the first and / or second wavelength conversion substance comprises particles which are embedded in the matrix material of the sheath.
  • the particles of the first and possibly the second wavelength conversion substance distributed homogeneously in the matrix material, as this advantageously facilitates the homogenization of the color impression of the component.
  • Wavelength conversion layer has a matrix material in an expedient embodiment of the component and the first and / or second wavelength conversion substance particles which are in the matrix material of the first and / or optionally. embedded in the second wavelength conversion layer and particularly preferably distributed homogeneously.
  • two wavelength conversion materials are used in the component, then in one embodiment they are arranged spatially separated, such that the component comprises two mutually different regions, each of which has only one of the two wavelength conversion substances.
  • the two wavelength conversion substances, _ For example, be arranged spatially separated from each other by the first wavelength conversion substance is contained in the cladding of the semiconductor body and the second wavelength conversion substance in a second wavelength conversion layer adjacent to the semiconductor body. Furthermore, it is possible to arrange the two wavelength conversion materials spatially separated by these of two different
  • Wavelength conversion layers are included, one of which is arranged, for example adjacent to the semiconductor body and the other of which is arranged downstream in the emission direction of the semiconductor body.
  • the area that is the first Wavelength conversion substance contains and the region containing the second wavelength conversion substance, particularly preferably downstream of the radiation-emitting front of the semiconductor body, that the wavelength is converted into the radiation of the first wavelength of the respective wavelength conversion substance, seen from the semiconductor body in the emission direction is shorter than that Wavelength in the preceding with respect to the emission direction of the semiconductor body wavelength conversion substance converts the radiation of the first wavelength.
  • Such a spatially separated arrangement of the wavelength conversion materials offers the advantage that absorption of radiation already converted by the one wavelength conversion substance can be reduced particularly effectively by the other wavelength conversion substance.
  • a second selectively reflecting layer which selectively reflects a predetermined portion of the radiation of the first wavelength and for a further portion of the radiation of the first wavelength and for radiation, is arranged downstream of the first wavelength conversion substance and optionally the second wavelength conversion substance in the emission direction of the semiconductor body the second wavelength and possibly for radiation of the third wavelength is permeable.
  • the active semiconductor layer sequence emits a large part of the electromagnetic radiation having the first wavelength perpendicular to its main extension plane. In other words, that of the active one
  • Semiconductor layer sequence emitted electromagnetic radiation of the first wavelength substantially completely or at least largely directed, and preferably parallel to the surface normal to the main extension plane of the active semiconductor layer sequence.
  • Such directed radiation can be achieved, for example, with a semiconductor body which is a thin-film light-emitting diode chip.
  • a thin-film light-emitting diode chip is to a good approximation a Lambertian surface tracer.
  • the radiation intensity of the emitted electromagnetic radiation approximates the cosine of the angle between the surface normal to the active semiconductor layer sequence and the direction in which the radiation is emitted from.
  • a thin-film light-emitting diode chip is distinguished, in particular, by the following characteristic features: on a first main surface of the semiconductor body, which has been epitaxially grown, in other words on the rear side of the semiconductor body, which faces the radiation-emitting front side a reflector layer is applied or formed, the at least a portion of the active in the Semiconductor layer sequence generated electromagnetic radiation reflected back into the semiconductor body; -
  • the semiconductor body has a thickness in the range of 20 microns or less, in particular in the range of 10 microns; and the semiconductor body contains at least one semiconductor layer having at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, leads to an approximately ergodic distribution of the light in the semiconductor body, ie it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • a basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is described, for example, in the publication I. Schnitzer et al. , Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18 October 1993, 2174 - 2176, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
  • Examples of thin-film light-emitting diode chips are described in the publications EP 0905797 A2 and WO 02/13281 A1, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference.
  • the first and / or optionally the second selectively reflecting layer have a layer sequence with dielectric layers of alternating high and low refractive index.
  • the first and / or optionally the second selectively reflecting layer having a layer sequence of alternatingly high and low refractive index dielectric layers is particularly preferably a Bragg reflector, since such a layer differs from other reflecting layers, such as, for example, metal layers Usually has lower absorption of the reflected radiation.
  • a Bragg reflector is known to the person skilled in the art and is therefore not explained in detail at this point.
  • the first selectively reflecting layer has a high transmittance, and in particular a low degree of reflection for electromagnetic radiation having a wavelength which is smaller than a cutoff wavelength ⁇ G.
  • the first selectively reflecting layer is preferably designed as a layer sequence with alternatingly high and low refractive index dielectric layers, which in particular represent a Bragg reflector.
  • the first selectively reflecting layer has a high reflectance, and in particular a low transmittance for electromagnetic radiation having a wavelength greater than a cutoff wavelength ⁇ G.
  • the transition between the wavelength range for which the selectively reflective layer has a high reflectance and the wavelength range for which it has a high transmissivity level occurs as far as possible sharply, for example " within a wavelength range of less than or equal to 10 ran, preferably of less than or equal to 5 nm, for example, of about 3 nm to the cutoff wavelength ⁇ G.
  • the selective reflective layer represents a short-pass filter, often referred to as a high-pass filter, having the cutoff wavelength ⁇ G. That is, the first selectively reflective layer is substantially transparent to electromagnetic radiation, for which it has a has high transmittance and substantially completely reflects electromagnetic radiation for which it has a high reflectance.
  • the selectively reflective layer preferably radiation whose wavelength is less than ⁇ transmits the cutoff wavelength of G, and virtually completely preferably reflects radiation whose wavelength is smaller than the cut-off wavelength ⁇ G , practically complete.
  • the cut-off wavelength ⁇ G changes with the angle of incidence of the electromagnetic radiation on the first selectively reflecting layer.
  • the cut-off wavelength ⁇ G at normal incidence of radiation corresponding to an angle of incidence of 0 °, maximum and decreases with increasing angle of incidence.
  • the cut-off wavelength ⁇ G for radiation having an incident angle of 45 ° by 20 nm or more, preferably by 50 nm or more is smaller than the cut-off wavelength ⁇ G for radiation having an incident angle of 0 °.
  • This property can be achieved, for example, with a Bragg reflector in a manner known per se to the person skilled in the art and is therefore not explained in detail here.
  • the cutoff wavelength is preferably chosen so that electromagnetic radiation of the first wavelength, which is emitted during operation of the component of the active semiconductor layer sequence perpendicular to its main extension plane, is transmitted from the first selectively reflecting layer.
  • electromagnetic radiation of the first wavelength, which strikes the first selectively reflecting layer at an angle is reflected by it.
  • the cut-off wavelength ⁇ G for perpendicularly incident electromagnetic radiation is only slightly larger than the first wavelength.
  • the cutoff wavelength ⁇ G for perpendicularly incident electromagnetic radiation is around 5 nm to 100 nm, preferably around 10 nm to 50 nm, and more preferably 20 nm to 50 nm, larger than the first wavelength, with the boundaries included respectively.
  • electromagnetic radiation of the first wavelength which is scattered back, for example in the first and / or second wavelength conversion layer, in the cladding or otherwise without wavelength conversion to the semiconductor body and which does not meet perpendicularly but at an angle to the first selectively reflecting layer , not absorbed in the semiconductor body.
  • the scattered radiation of the first wavelength contributes to the emission of the device.
  • the radiation emitted by the semiconductor body of the first wavelength which is emitted perpendicularly or approximately perpendicular to the main extension plane of the active semiconductor layer sequence, passes through . first selectively reflecting layer_ practically complete.
  • the radiation yield of the component is advantageously further increased.
  • the semiconductor body does not emit radiation of a single first wavelength, but radiation of a plurality of different first wavelengths, which are preferably encompassed by a common first wavelength range.
  • the first or possibly the second wavelength conversion substance converts radiation at least from a single first wavelength into radiation of at least one further, second or third one Wavelength around.
  • the first or possibly the second wavelength conversion substance converts radiation of a plurality of first wavelengths, which are preferably encompassed by a first wavelength range, into radiation of a plurality of further, second or third wavelengths, which in turn are preferably encompassed by a further common second or third wavelength range ,
  • the first or the second wavelength conversion substance converts radiation of the first wavelength into radiation of the second or third wavelength by absorbing them, thereby changing over to an excited state and returning to the ground state by reemission of radiation of a longer wavelength.
  • FIG. 1A a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 1B emission spectrum of a semiconductor body according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 1D shows a tabular representation of a layer sequence of a selectively reflecting layer according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 1C representation of the refractive index profile as a function of the layer thickness according to the layer sequence from FIG.
  • FIG. 1F reflectivity of the selectively reflecting layer according to FIGS.
  • FIG. 1C shows a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a variant of the first exemplary embodiment
  • FIG. 2 a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4 a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a fourth exemplary embodiment
  • Figure 5 a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a fifth embodiment
  • Figure 6 a schematic sectional view of an optoelectronic component according to a sixth embodiment.
  • identical or identically acting components are each provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their size relationships are basically not to be regarded as true to scale, but individual elements, such as layer thicknesses or particle sizes, for exaggerated understanding and / or better representability can be exaggerated.
  • a light-emitting diode chip which comprises an active semiconductor layer sequence 2, which in the present case is based on a nitride compound semiconductor material, is used as the radiation-emitting semiconductor body 1
  • semiconductor layer sequence 2 During operation, semiconductor layer sequence 2 generates radiation of a first wavelength from the blue spectral range, which is emitted during operation from a front side 3 of the semiconductor body 1.
  • An emission spectrum of an active semiconductor layer sequence 2 which emits radiation of a first wavelength from the blue spectral range can be seen, for example, in FIG. 1B.
  • the first wavelengths that the semiconductor body emits are comprised of a first wavelength range 21 having an intensity maximum at about 460 nm.
  • the semiconductor body 1 is mounted on a carrier 4, for example a printed circuit board, and is enclosed by a casing 5, which has a first Wavelength conversion substance 6 and a matrix material 7 has.
  • the first wavelength conversion substance 6 converts the radiation of the first wavelength into radiation of a second wavelength different from the first wavelength, which in the present case originates, for example, from the yellow spectral range.
  • first wavelength conversion substance 6 which converts the radiation of the first wavelength from the blue spectral range, as shown for example in FIG. 1B, into radiation of a second wavelength from the yellow spectral range
  • YAG Ce
  • another suitable garnet phosphor such as (Y a LUbGd c Tbd) 3 (Al x Ga y ) 5 Oi 2 : Ce.
  • These phosphors include, for example, cerium-doped TbAl garnet phosphor and cerium-doped (Y, Gd) Al garnet phosphor.
  • Suitable phosphors which in particular emit radiation in the yellow wavelength range are, for example, a rare earth-doped orthosilicate phosphor such as A 2 SiO 4 : Eu 2+ , where A may represent Sr and / or Ba, and an oxynitride phosphor such as (Ca, Sr, Ba) Si 2 O 2 N 2 : Eu.
  • a rare earth-doped orthosilicate phosphor such as A 2 SiO 4 : Eu 2+
  • A may represent Sr and / or Ba
  • an oxynitride phosphor such as (Ca, Sr, Ba) Si 2 O 2 N 2 : Eu.
  • a phosphor can be used which, for example, radiation of the first wavelength, such as from the blue spectral range, as shown for example in Figure IB, in radiation of a second wavelength of the red spectral range converts.
  • These phosphors include sulfidic systems such as (Sr, Ca) S: Eu and nitride phosphors such as (Sr, Ca) 2 Si 5 N 8 : Eu or CaAlSiN 3 : Eu, and phosphors chemically related to these systems.
  • the emission spectrum of a wavelength conversion substance 6, which converts radiation of a first wavelength from the blue spectral range into radiation of a second wavelength from the yellow spectral range, is shown by way of example in FIG. As can be seen here, the second wavelengths that the first wavelength conversion substance 6 emits are likewise encompassed by a second wavelength range 61.
  • the intensity maximum of this emission spectrum is about 560 niti.
  • the first wavelength conversion substance 6 is present in the form of particles, which are preferably distributed substantially homogeneously in the matrix material 7 of the envelope 5.
  • Wavelength conversion substance 6 are largely evenly distributed at least in a partial volume of the matrix material 7.
  • the particles are not agglomerated as far as possible or in a negligible manner.
  • a first selectively reflecting layer 8 covers the surface facing the radiation-emitting front side 3 and the flanks 1001 of the semiconductor body 1 (see FIG.
  • the first selectively reflective layer 8 selectively reflects radiation of the second wavelength into the cladding 5 and is transmissive to radiation of the first wavelength.
  • the first selectively reflecting layer 8 comprises, for example, a sequence of alternating low and high refractive index dielectric layers.
  • the refractive index difference between the materials is high so that the number of layers is small.
  • the dielectric materials used preferably absorb only slightly radiation of the first wavelength and radiation of the second wavelength.
  • silicon dioxide SiC> 2 having a refractive index of about 1.5 is used as the low-refractive index material.
  • These low-refraction SiO 2 layers alternate with highly refractive layers comprising, for example, titanium dioxide (TiC> 2) with a refractive index of about 2.9.
  • titanium dioxide it is also possible, for example, to use magnesium fluoride (MgF 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (TaO) or hafnium dioxide (HfO 2 ) as a high refractive index material.
  • MgF 2 magnesium fluoride
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • TaO tantalum oxide
  • hafnium dioxide HfO 2
  • Evaporation process and / or by evaporation using an electron beam, sputtered or by means of chemical process are applied.
  • a layer sequence consisting of epitaxially grown layers can continue as a first selectively reflective layer 8 are applied, the N-layers are built up, for example, alternately of GaN layers and Al x Ga ⁇ _ X where suitably adjusted by selection of the aluminum content of the refractive index difference between the layers becomes.
  • the selectively reflecting layer 8 can be slurried, spin-coated or sprayed on.
  • a series of layers such as SiO 2 and TiO 2 layers, are applied by a sol-gel process.
  • a photoresist layer or polymer layer in particular a sequence of photoresist and / or polymer layers having an alternatingly high, and "low refractive index, is preferably sprayed or spin-coated.
  • FIG. 1C shows the refractive index of the layer sequence of the first selectively reflecting layer 8 as a function of the layer thickness according to the tabulation of FIG.
  • the layer sequence according to FIGS. ID and IE comprises a sequence of ten layer pairs, each having a SiO 2 layer with a low refractive index of approximately 1.5 and a TiO 2 layer with a high refractive index of approximately 2.9. Furthermore, the layer sequence is constructed in such a way that layer pairs are combined into layer packages whose SiO 2 layers or TiO 2 layers each have similar thicknesses.
  • the first layer package comprises the layers one to six, ie three pairs of layers each of a TiO 2 layer (high refractive index of about 2.9) and a SiO 2 layer (low refractive index of about 1.5), wherein the thicknesses of the TiO 2 - layers between about 60 nm and about 80 ran and the thicknesses of the SiO 2 layers between about 128 nm and about 200 nm.
  • the second layer package comprises the layers seven to fourteen, ie four pairs of layers each comprising a TiO 2 layer and an SiO 2 layer, wherein the thicknesses of the TiO 2 layers are between about 60 nm and about 80 nm and the thicknesses of the SiO 2 layers between about 60 nm and about 95 nm.
  • the third layer packet is constructed similarly to the first layer packet. It comprises layers fifteen to twenty, wherein the thicknesses of the TiO 2 layers are between about 60 nm and about 80 nm and the thicknesses of the SiO 2 layers between about 110 nm and about 200 nm. The difference in thickness between the low-refraction SiO 2 layer and the high-refraction TiO 2 layer of a layer pair is thus significantly greater within the first and the third layer package than within the second layer package.
  • the layer sequence according to the figures ID and IE selectively reflects radiation, as the reflection spectrum of FIG. IF shows.
  • the reflectivity of this layer sequence is small for wavelengths ⁇ ⁇ G , while for wavelengths ⁇ > ⁇ G it is almost 100%, wherein the cut-off wavelength ⁇ G is 500 nm.
  • the high reflectivity over a relatively large wavelength range (from about 500 nm to about 800 nm) is achieved in particular by the structure described above with the different thicknesses of the high refractive and the low refractive layers. In the case of the component according to FIG.
  • radiation of the first wavelength is generated from the blue spectral range within the active semiconductor layer sequence 2 and, except for small portions of the radiation emitted by the flanks 1001 of the semiconductor body 1, emitted from its front side 3. Since the first selectively reflecting layer 8 is transmissive to the radiation of the first wavelength, it passes through it almost unhindered and penetrates into the envelope 5 with the first wavelength conversion substance 6. Does radiation of the first wavelength strike a particle of the first wavelength?
  • Wavelength conversion substance 6 it is converted into radiation of the second wavelength from the yellow spectral range. As it passes through the enclosure 5, a portion of the radiation of the first wavelength is converted into radiation of the second wavelength, while a further portion of the radiation of the first wavelength passes through the enclosure 5 unconverted, so that the component has mixed radiation with a color location in the white area of the CIE standard color chart emits radiation of the first wavelength from the blue spectral range and radiation of the second wavelength from the yellow spectral range. If converted radiation of the second wavelength strikes the first selectively reflecting layer 8, it is reflected by it back into the cladding 5 and is advantageously not absorbed by the semiconductor body 1.
  • the limiting wavelength ⁇ G is the angle of incidence ⁇ of an electromagnetic radiation 201 incident on the first selectively reflecting layer 8, 202, 601 to the surface normal 19 dependent. In the present case, it decreases with increasing angle of incidence ⁇ .
  • a part of the electromagnetic radiation of the first wavelength 201 is emitted from the
  • Wavelength-length conversion substance 6 is converted into longer-wavelength electromagnetic radiation 601, for example with a wavelength in the yellow spectral range, approximately 600 nm.
  • the converted electromagnetic radiation 601 is reflected by the first selectively reflecting layer 8, in particular at all angles of incidence ⁇ .
  • the selectively reflective layer 8 is monolithically integrated in the front side 3 of the semiconductor body 1 in the exemplary embodiment shown in FIG. For example, it is constructed alternately from epitaxially grown GaN layers and Al x Ga x X N layers and constitutes a Bragg reflector. In contrast to the embodiment of FIG. 1A, the flanks 1001 of the semiconductor body 1 are free of the selectively reflecting layer 8th.
  • the semiconductor body 1 is a thin-film light-emitting diode chip having a thickness of less than or equal to 20 ⁇ m, for example 10 ⁇ m.
  • the thin-film light-emitting diode chip 1 is based on a nitride compound semiconductor material and comprises an n-doped layer 101, in the present case an n-doped charge carrier confinement layer, the active layer or active semiconductor layer sequence 2 and a p doped carrier confinement layer 102.
  • the production of the thin-film light-emitting diode chip comprises the epitaxial growth of the semiconductor body 1 onto a growth substrate.
  • the n-type carrier confinement layer 101 is adjacent to the growth substrate, and the p-type carrier confinement layer faces away from the growth substrate.
  • the thin-film LED chip 1 is mounted on a subcarrier 40. Between the auxiliary carrier 40 and the semiconductor body 1, that is on the main surface of the Semiconductor body 1, which is adjacent to the p-type carrier confinement layer 102, a reflector layer 41 is arranged. The growth substrate adjacent to the n-type carrier confinement layer 101 is thinned or removed.
  • the thin-film light-emitting diode chip 1 for example the n-doped and / or the p-doped charge carrier confinement layer 101, 102, has a surface or layer with a mixing structure which results in an approximately ergodic distribution of the light in the semiconductor body leads.
  • the semiconductor body 1 has an approximately Lambertian radiation characteristic, so that a large part of the light is emitted perpendicular to the main extension plane of the active semiconductor layer sequence 2.
  • the first selectively reflecting layer 8 is also formed laterally of the semiconductor body 1 on the bottom of the carrier 4.
  • the first selectively reflecting layer 8 it is also possible to form laterally of the semiconductor body 1 a smooth or diffuse layer in a wide wavelength range of the visible light, ie a non-selectively reflecting layer 9, for example a metal layer comprising gold or silver.
  • the first wavelength conversion substance 6 in the optoelectronic component according to FIG. 3 is not contained in the cladding 5, but is comprised by a first wavelength conversion layer 10 which is applied to the Front side 3 of the semiconductor body 1 is applied adjacent to the first selectively reflecting layer 8.
  • the first wavelength conversion layer 10 has a matrix material 11 in which the particles of the first wavelength conversion substance 6 are preferably distributed substantially homogeneously.
  • the optoelectronic component according to FIG. 4 comprises a second wavelength conversion substance 12 which converts part of the radiation of the first wavelength into radiation of a third wavelength different from the first and second wavelengths.
  • the second wavelength conversion substance 12 likewise has particles which are preferably distributed substantially homogeneously in a matrix material 13 of a second wavelength conversion layer 14.
  • the second wavelength conversion layer 14, like the first wavelength conversion layer 10 in the exemplary embodiment according to FIG. 3, is arranged adjacent to the first selectively reflecting layer 8, which is encompassed by the front side 3 of the semiconductor body 1.
  • the second wavelength conversion layer 14 with the second wavelength conversion substance 12 can be used, for example, in conjunction with a semiconductor body 1 whose active semiconductor layer sequence 2 generates electromagnetic radiation of a first wavelength from the ultraviolet range.
  • the second wavelength conversion substance 12 preferably converts a part of the ultraviolet radiation of the semiconductor body 1 into radiation of a third wavelength from the yellow spectral range, while a further part of the radiation of the first Wavelength from the ultraviolet spectral range is preferably converted from the first wavelength conversion substance 6 into radiation of a second wavelength from the blue spectral range, so that the component emits mixed radiation of radiation of the first wavelength and radiation of the second wavelength with a color location in the white area of the CIE standard color chart.
  • the radiation of the first wavelength is preferably completely converted into radiation of the second and the third wavelength by the first wavelength conversion substance 6 and the second wavelength conversion substance 12.
  • the second wavelength conversion substance 12 for example contained in a second wavelength conversion layer 14 as in FIG. 4, but can also be used in conjunction with a semiconductor body 1 which emits radiation of a first wavelength from the visible, for example blue, spectral range.
  • the second wavelength conversion substance 12 converts in the
  • Wavelength conversion layer 14 converts a portion of the radiation of the first wavelength into radiation of a third wavelength from the red spectral range, while the first wavelength conversion substance 10 in the envelope 5 a further portion of the radiation of the first wavelength from the blue spectral range in radiation of a second wavelength from the green spectral range converts.
  • the component also emits mixed radiation having a color location in the white region of the CIE standard color chart which comprises radiation of the first wavelength from the blue spectral range, radiation of the second wavelength from the green spectral range and radiation of the third wavelength from the red spectral range.
  • the semiconductor body 1 is mounted in the device according to the embodiment of Figure 5 is not mounted on a support 4, but in a reflector trough 15 of a component housing, which serves the beam shaping.
  • the semiconductor body 1 is surrounded by a cladding 5, which comprises the first wavelength conversion substance 10.
  • the component according to FIG. 1 is surrounded by a cladding 5, which comprises the first wavelength conversion substance 10.
  • the fifth also has a second selectively reflecting layer 16 which is arranged downstream of the first wavelength conversion substance 6 in the emission direction of the semiconductor body 1 and a defined part of the radiation of the first wavelength emitted by the semiconductor body 1 is reflected in the envelope 5, which comprises the first wavelength conversion substance 6, and is permeable to converted radiation of the second wavelength.
  • the second selectively reflecting layer 16 is also constructed of, for example, alternating high and low refractive index dielectric layers. Subsequently, in the emission direction of the semiconductor body 1, further matrix material 7 of the cladding 5 is applied to the second selectively reflecting layer 16.
  • the semiconductor body 1 is mounted in a reflector trough 15 of a component housing and electrically contacted with a bonding wire (not shown) on its front side 3.
  • the formed by the reflector pan 15 recess is filled with a potting compound 5, which surrounds the semiconductor body.
  • the sheath 5 does not contain a wavelength conversion substance in the present case. Alternatively, it is entirely possible to dispense with the wrapping 5.
  • the device comprises a cover element 18, which has a carrier substrate 17, for example a glass substrate.
  • the glass substrate has a thickness between 10 and 300 ⁇ m, with the boundaries included. In the present case it has a thickness of about 100 microns.
  • the carrier substrate 17 may also be a foil, for example a nitrocellulose membrane.
  • the film preferably has a thickness between 0.5 ⁇ m and 10 ⁇ m, more preferably between 1 ⁇ m and 5 ⁇ m, the boundaries being included in each case. For example, the thickness of the film is about 2 microns.
  • the first selectively reflecting layer 8 is arranged on the side facing away from the semiconductor body 1, in this case also parallel to the front side 3 of the semiconductor body 1, the main surface
  • the first wavelength conversion layer 10 is arranged.
  • the cover member 18 is mechanically stable connected to the component housing, in particular with an edge of the reflector trough 15 and / or with the enclosure 5, for example glued.
  • a further smooth or diffusely reflecting layer may additionally be formed, which reflects radiation emitted by the semiconductor body to the front side of the component, in particular to the cover element.
  • the first and second wavelength conversion materials 6, 12 are preferably selected from the group consisting of rare earth doped garnets, rare earth doped alkaline earth sulfides, rare earth doped thiogalates, metals 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 first wavelength conversion layer 10 and the second wavelength conversion layer 14 are preferably transparent curable polymeric materials such as epoxies, acrylates, polyesters, polyamides, polyimides, polyurethanes, polyvinyl chloride, silicones, polysiloxane-containing polymers or mixtures of these materials ,

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement mit einem Halbleiterkörper (1), der eine aktive Halbleiterschichtenfolge (2) umfasst offenbart, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu erzeugen, die von einer Vorderseite (3) des Halbleiterkörpers (1) emittiert wird. Weiterhin umfasst das Bauelement einen dem Halbleiterkörper (1) in dessen Abstrahlrichtung nachgeordneten ersten Wellenlängenkonversionsstoff (6), der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge umwandelt und eine erste selektiv reflektierende Schicht (8) zwischen der aktiven Halbleiterschichtenfolge (2) und dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff (6), die Strahlung der zweiten Wellenlänge selektiv reflektiert und für Strahlung der ersten Wellenlänge durchlässig ist.

Description

Beschreibung
STRAHLUNGSEMITTIERENDES OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit Wellenlängenkonversionsstoff.
Strahlungsemittierende optoelektronische Bauelemente mit Wellenlängenkonversionsstoff sind beispielsweise in der Druckschrift WO 97/50132 beschrieben. Ein solches optoelektronisches Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der elektromagnetische Strahlung emittiert und einen Wellenlängenkonversionsstoff, der einen Teil dieser Strahlung in Strahlung anderer, in der Regel größerer, Wellenlängen umwandelt .
Wie beispielsweise in der Druckschrift DE 101 42 009 Al beschrieben, kann die Strahlung des Halbleiterkörpers aus dem kurzwelligen ultravioletten Spektralbereich stammen. Da ultraviolette Strahlung in der Regel das menschliche Auge schädigt, wird in der Druckschrift DE 101 42 009 Al vorgeschlagen, dem Wellenlängenkonversionsstoff in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers eine UV-undurchlässige Schicht nachzuordnen, die vorzugsweise einseitig oder beidseitig reflektierend für ultraviolette Strahlung ausgebildet ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement mit
Wellenlängenkonversionsstoff anzugeben, das eine hohe Effizienz aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen des optoelektronischen Bauelementes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein optoelektronisches Bauelement mit hoher Effizienz umfasst insbesondere :
- einen Halbleiterkörper, der eine aktive Halbleiterschichtenfolge umfasst, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu erzeugen, die von einer Vorderseite des Halbleiterkörpers emittiert wird,
- einen dem Halbleiterkörper in dessen Abstrahlrichtung nachgeordneten ersten Wellenlängenkonversionsstoff, der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge umwände1t , und
- eine erste selektiv reflektierende Schicht zwischen der aktiven Halbleiterschichtenfolge und dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff, die Strahlung der zweiten Wellenlänge selektiv reflektiert und für Strahlung der ersten Wellenlänge durchlässig ist.
Mit Hilfe der ersten selektiv reflektierenden Schicht, die zwischen der aktiven Halbleiterschichtenfolge und dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff angeordnet ist, wird die Effizienz des Bauelementes vorteilhafterweise erhöht, da diese verhindert, dass konvertierte Strahlung der zweiten Wellenlänge in die aktive Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers zurück reflektiert und dort absorbiert wird. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform grenzt die erste selektiv reflektierende Schicht an den Halbleiterkörper, insbesondere an dessen Strahlungsemittierende Vorderseite, an. Die erste selektiv reflektierende Schicht überdeckt bei einer Ausführungsform eine der Strahlungsemittierenden Vorderseite zugewandte Fläche des Halbleiterkörpers zumindest teilweise, bevorzugt jedoch vollständig. Bei einer anderen Ausführungsform überdeckt sie zusätzlich auch die Flanken des Halbleiterkörpers, anders ausgedrückt Flächen des Halbleiterkörpers, die senkrecht oder zumindest in einem Winkel zur Strahlungsemittierenden Vorderseite ausgebildet sind, teilweise oder vollständig.
Bevorzugt ist die erste selektiv reflektierende Schicht monolithisch in die Strahlungsemittierende Vorderseite des Halbleiterkörpers integriert. Bei dieser Ausführungsform wird die erste selektiv reflektierende Schicht in der Regel mit Prozessen hergestellt, die auch zur Herstellung des Halbleiterkörpers verwendet werden oder mit diesen gut kompatibel sind, wie beispielsweise Sputtern oder epitaktisches Wachstum. Hierdurch wird vorteilhafterweise ein technisch einfacher Herstellungsprozess ermöglicht.
Alternativ kann die erste selektiv reflektierende Schicht auch aufgeschlämmt, aufgeschleudert und/oder aufgesprüht werden .
Bei einer wiederum anderen vorteilhaften Ausführungsform ist die erste selektiv reflektierende Schicht auch seitlich des Halbleiterkörpers ausgebildet, beispielsweise auf der Bodenfläche eines Bauelementgehäuses oder eines Trägers, auf den der Halbleiterkörper montiert ist . Ist der Halbleiterkörper in die Ausnehmung eines Bauelementgehäuses mit Seitenflächen montiert, so sind bevorzugt auch die die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des Bauelementgehäuses mit der ersten selektiv reflektierenden Schicht versehen. Durch die Ausbildung der ersten selektiv reflektierenden Schicht seitlich des Halbleiterkörpers wird vorteilhafterweise konvertierte Strahlung zur Vorderseite des Bauelementes reflektiert, die ansonsten von dem Bauelementgehäuse absorbiert wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist seitlich des Halbleiterkörpers alternativ zu der ersten selektiv reflektierenden Schicht eine weitere glatt oder diffus reflektierende Schicht ausgebildet. Diese ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie Strahlung eines deutlich größeren Wellenlängenbereiches reflektiert, der besonders bevorzugt konvertierte und unkonvertierte Strahlung umfasst . So wird mit Vorteil auch die Absorption unkonvertierter Strahlung, beispielsweise durch das Mate_rial_ eines Bauelementgehäuses oder Trägers auf den der Halbleiterkörper montiert ist, deutlich verringert. Als weitere reflektierende Schicht wird bevorzugt eine Metallschicht eingesetzt, die beispielsweise Gold oder Silber aufweist. Gegenüber der ersten selektiv reflektierenden Schicht kann die weitere reflektierende Schicht in der Regel deutlich einfacher hergestellt werden, da die Anforderungen an ihre Reflektivität geringer sind.
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform grenzt die erste selektiv reflektierende Schicht nicht an den Halbleiterkörper an, sondern ist von diesem beabstandet. Insbesondere ist die erste selektiv reflektierende Schicht von der Strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers beabstandet und dieser in Abstrahlrichtung nachgeordnet . Unter der Abstrahlrichtung ist insbesondere diejenige Richtung zu verstehen, die durch den von der Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichtenfolge zur Strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers gerichteten Abstandsvektor festgelegt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform stammt die erste Wellenlänge aus dem ultravioletten, blauen oder grünen Spektralbereich. Da Wellenlängenkonversionsstoffe Strahlung in der Regel in Strahlung größerer Wellenlängen umwandeln, sind in Verbindung mit der Anwendung mit Wellenlängenkonversionsstoffen Wellenlängen aus dem kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektralbereichs und des ultravioletten Spektralbereichs besonders geeignet.
Ein Halbleiterkörper der geeignet ist, ultraviolette, blaue und/oder grüne Strahlung zu emittieren, umfasst in. der Regel eine aktive Schichtenfolge, die auf einem Nitrid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert .
Mit dem Begriff „aktive Schichtenfolge, die auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial basiert" ist im vorliegenden Zusammenhang eine aktive Schichtenfolge gemeint, die ein Nitrid-III-Verbindungshalbleitermaterial umfasst, vorzugsweise AlnGamIni-n_mN, wobei O≤n≤l, O≤m≤l und n+m≤l. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es insbesondere ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften von AlnGamIni_n-mN-Material im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Weiterhin ist mit dem Begriff „aktive Schichtenfolge, die auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert" im vorliegenden Zusammenhang eine aktive Schichtenfolge gemeint, die ein Phosphid-III-Verbindungshalbleitermaterial umfasst, vorzugsweise AlnGamIni-n-mP, wobei O≤n≤l, O≤m≤l und n+m≤l. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es insbesondere ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften von AlnGamIni-n_mP-Material im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die aktive Schichtenfolge des Halbleiterkörpers ist beispielsweise epitaktisch gewachsen und umfasst bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfachquantentopf oder besonders bevorzugt eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur beinhaltet hierbei keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Beispiele für MQW-Strukturen sind in den Druckschriften WO 01/39282, US 5,831,277, US 6,172,382 Bl und US 5,684,309 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Als Halbleiterkörper kann zum Beispiel ein Leuchtdiodenchip (kurz „LED-Chip") verwendet werden.
Stammt die erste Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise aus dem blauen oder grünen Spektralbereich, so emittiert das Bauelement bevorzugt Mischstrahlung, die Strahlung der ersten Wellenlänge und Strahlung der zweiten Wellenlänge umfasst. Durch Wahl und Konzentration des Wellenlängenkonversionsstoffes werden so Bauelemente hergestellt, deren Farbort in weiten Bereichen eingestellt werden kann. Besonders bevorzugt umfasst die Mischstrahlung Strahlung derart unterschiedlicher Farben, dass der Farbort der Mischstrahlung im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel liegt.
Besonders bevorzugt wird ein Halbleiterkörper verwendet, der Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich emittiert in Verbindung mit einem Wellenlängenkonversionsstoff, der diese blaue Strahlung in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich umwandelt. So ist mit Vorteil auf technisch einfache Art und Weise ein optoelektronisches Bauelement realisierbar, das Mischstrahlung mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel aussendet.
Emittiert der verwendete Halbleiterkörper jedoch nur Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem nicht-sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise aus dem ultravioletten, so wird eine möglichst vollständige Konversion dieser Strahlung angestrebt, da diese nicht zur Helligkeit des Bauelementes beiträgt. Im Fall von kurzwelliger Strahlung, wie UV- Strahlung, kann diese sogar das menschliche Auge schädigen. Aus diesem Grund sind bei solchen Bauelementen bevorzugt Maßnahmen vorgesehen, die verhindern sollen, dass das Bauelement kurzwellige Strahlung aussendet. Solche Maßnahmen können zum Beispiel Absorberpartikel oder reflektierende Elemente sein, die dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers nachgeordnet sind und die unerwünschte kurzwellige Strahlung absorbieren oder zurück zum Wellenlängenkonversionsstoff reflektieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen zweiten Wellenlängenkonversionsstoff, der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten und zweiten Wellenlänge verschiedenen dritten Wellenlänge umwandelt.
Wie bereits oben erläutert, wird bei Verwendung eines Halbleiterkörpers, der nur Strahlung einer ersten Wellenlänge aus nicht-sichtbaren Spektralbereichen emittiert, wie beispielsweise ultraviolette Strahlung, in der Regel eine möglichst vollständige Konversion dieser Strahlung angestrebt. Durch den Einsatz eines zweiten Wellenlängenkonversionsstoffes, der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten und der zweiten Wellenlänge verschiedenen dritten Wellenlänge umwandelt, ist es vorteilhafterweise möglich ein Bauelement zu erzielen, das Mischstrahlung aus Strahlung der zweiten und Strahlung der dritten Wellenlänge aussendet. Stammt die erste Wellenlänge aus dem ultravioletten Spektralbereich, wird bevorzugt ein erster Wellenlängenkonversionsstoff ausgewählt, der einen Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich umwandelt und ein zweiter Wellenlängenkonversionsstoff, der den restlichen Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge in - S -
Strahlung einer dritten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich umwandelt .
Umfasst das Bauelement einen Halbleiterkörper, der nur Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem nicht-sichtbaren, ultravioletten Spektralbereich aussendet, so werden Maßnahmen, die verhindern sollen, dass das Bauelement kurzwellige Strahlung aussendet, bevorzugt allen Wellenlängenkonversionsstoffen in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers nachgeordnet .
Emittiert der Halbleiterkörper Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich, so emittiert das optoelektronische Bauelement bei Verwendung eines zweiten Wellenlängekonversionsstoffes bevorzugt Mischstrahlung, die Strahlung der ersten, zweiten und dritten Wellenlänge aufweist. Bei einem solchen Bauteil kann vorteilhafterweise der Farbort der Mischstrahlung in besonders großen Bereichen der CIE-Normfarbtafel eingestellt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Halbleiterkörper, der erste Wellenlängenkonversionsstoff und der zweite Wellenlängenkonversionsstoff so aufeinander abgestimmt, das die erste Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, die zweite Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich und die dritte Wellelänge aus dem grünen Spektralbereich stammen. Auf diese Weise kann Mischstrahlung mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel erzeugt werden.
Bei der Verwendung eines zweiten
Wellenlängenkonversionsstoffes ist die erste selektiv reflektierende Schicht bevorzugt so ausgebildet, dass sie neben der Strahlung der zweiten Wellenlänge auch die Strahlung der dritten Wellenlängen selektiv reflektiert, damit auch die von dem zweiten Wellenlängenkonversionsstoff konvertierte Strahlung vorteilhafterweise nicht in der aktiven Halbleiteschichtenfolge des Halbleiterkörpers absorbiert wird.
Besonders bevorzugt emittiert das optoelektronische Bauelement Mischstrahlung mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel, da diese vielfältig Anwendung finden, wie beispielsweise bei der Hinterleuchtung von Displays oder bei der Beleuchtung von Fahrzeugen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterkörper mit einer für die Strahlung des Bauelementes durchlässigen Umhüllung versehen, die den Halbleiterkörper beispielsweise gegen mechanische und chemische Umwelteinflüsse schützt.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist der erste Wellenlängenkonversionsstoff von der Umhüllung umfasst. Alternativ kann der erste Wellenlängenkonversionsstoff auch von einer Wellenlängenkonversionsschicht umfasst sein. Eine Wellenlängenkonversionsschicht bietet den Vorteil, dass diese einfach reproduzierbar herzustellen ist und weiterhin zu einem weitgehend homogenen Farbeindruck des Bauelementes beiträgt, da die Weglänge der Strahlung innerhalb einer Wellenlängenkonversionsschicht gegenüber der Weglänge in einer Umhüllung auf einfache Weise vereinheitlicht ist. Besonders bevorzugt weist die Wellenlängenkonversionsschicht eine konstante Dicke auf, da dieser Effekt dann vorteilhafterweise besonders zum Tragen kommt. Wird ein zweiter Wellenlängenkonversionsstoff verwendet, so kann die Umhüllung oder die erste
Wellenlängenkonversionsschicht zusätzlich zu dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff auch den zweiten Wellenlängenkonversionsstoff beinhalten. Weiterhin ist es möglich, dass der zweite Wellenlängenkonversionsstoff von einer zweiten Wellenlängenkonversionsschicht umfasst wird. Auch die zweite Wellenlängenkonversionsschicht weist aus den oben genannten Gründen bevorzugt eine konstante Dicke auf.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine der Wellenlängenkonversionsschichten angrenzend an den Halbleiterkörper angeordnet, insbesondere wenn die erste selektiv reflektierende Schicht in letzteren monolithisch integriert ist.
Grenzt die erste selektiv reflektierende Schicht an den Halbleiterkörper an, ohne monolithisch in ihn integriert zu sein, oder ist sie vom Halbleiterkörper beabstandet, ist bei einer weiteren Ausführungsform eine der
Wellenlängenkonversionsschichten angrenzend an die erste selektiv reflektierende Schicht angeordnet, zweckmäßigerweise angrenzend an eine von dem Halbleiterkörper abgewandte Fläche der ersten selektiv reflektierenden Schicht.
Alternativ ist die erste beziehungsweise sind die erste und die zweite Wellenlängenkonversionsschicht von dem Halbleiterkörper und von der ersten selektiv reflektierenden Schicht beabstandet.
Beispielsweise umfasst das optoelektronische Bauelement bei einer Ausführungsform ein Abdeckelement, das die erste und/oder die zweite Wellenlängenkonversionsschicht umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann das Abdeckelement auch die erste selektiv reflektierende Schicht umfassen. Bevorzugt weist das Abdeckelement ein Trägersubstrat auf, das zum Beispiel Glas enthält oder daraus besteht, und auf das die erste Wellenlängenkonversionsschicht, die zweite Wellenlängenkonversionsschicht und/oder die erste selektiv reflektierende Schicht aufgebracht ist/sind. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist das Trägersubstrat eine dem Halbleiterkörper zugewandte Hauptfläche und/oder eine vom Halbleiterkörper abgewandte Hauptfläche auf. Bevorzugt ist dann die erste selektiv reflektierende Schicht auf die dem Halbleiterkörper zugewandte Hauptfläche des Trägersubstrats aufgebracht und/oder die erste Wellenlängenkonversionsschicht auf die vom Halbleiterkörper abgewandte Hauptfläche des Trägersubstrats aufgebracht.
Vorteilhafterweise ist das optoelektronische Bauelement mit _einem solchen Abdeckelement besonders einfach herstellbar. Beispielsweise ist die erste Wellenlängenkonversionsschicht auf dem Trägersubstrat besonders einfach herstellbar.
Ein Abdeckelement, das insbesondere die erste selektiv reflektierende Schicht und die erste und ggf. zweite Wellenlängenkonversionsschicht umfasst, kommt vorzugsweise bei einem optoelektronischen Bauelement zum Einsatz, bei dem der Halbleiterkörper in eine Ausnehmung, etwa eine Reflektorwanne, montiert ist, die beispielsweise Teil eines Bauelementgehäuses ist. Die Ausnehmung ist bei einer Ausführungsform mit der Umhüllung zumindest teilweise gefüllt. In der Regel ist der Halbleiterkörper beispielsweise mittels eines Bonddrahtes an seiner Strahlungsemittierenden Vorderseite elektrisch kontaktiert. Mit Vorteil wird bei dieser Ausführungsform von der ersten selektiv reflektierenden Schicht des Abdeckelements verhindert, dass in der ersten und/oder zweiten Wellenlängenkonversionsschicht emittierte
Fluoreszenzstrahlung auf die Wände der Ausnehmung und auf den Bonddraht trifft. So verhindert das Abdeckelement mit der ersten selektiv reflektierenden Schicht vorteilhafterweise neben Absorptionsverlusten im Halbleiterkörper weitere Absorptionsverluste, etwa an der Reflektorwanne und/oder dem Bonddraht, in dem optoelektronischen Bauelement. Das Bauelement ist daher besonders effizient.
Aufgrund der ersten selektiv reflektierenden Schicht ist es für die Absorptionsverluste im Bauelement unerheblich, wie weit die das Abdeckelement mit der ersten und/oder zweiten Wellenlängenkonversionsschicht von dem Halbleiterchip, und insbesondere von dem Bauelement, entfernt ist. Auf einen großen Abstand zur Minimierung der Absorptionsverluste kann, vorteilhafterweise verzichtet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abdeckelement der Reflektorwanne und/oder der Umhüllung unmittelbar nachfolgend angeordnet. Beispielsweise ist es mit der Reflektorwanne und/oder der Umhüllung verklebt. So ist mit Vorteil die Strahlungsemittierende Fläche des Abdeckelements besonders klein, so dass das Bauelement eine Lichtquelle mit einer geringen Ausdehnung darstellt, die gut optisch abgebildet werden kann.
Besonders bevorzugt weist die Umhüllung ein Matrixmaterial und der erste und/oder zweite Wellenlängenkonversionsstoff Partikel auf, die in dem Matrixmaterial der Umhüllung eingebettet sind. Besonders bevorzugt sind die Partikel des ersten und ggf. des zweiten Wellenlängenkonversionsstoffes homogen in dem Matrixmaterial verteilt, da dies die Homogenisierung des Farbeindrucks des Bauelementes vorteilhafterweise vereinfacht.
Auch die erste und/oder ggf. die zweite
Wellenlängenkonversionsschicht weist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Bauelements ein Matrixmaterial auf und der erste und/oder zweite Wellenlängenkonversionsstoff Partikel, die in dem Matrixmaterial der ersten und/oder ggf . der zweiten Wellenlängenkonversionsschicht eingebettet und besonders bevorzugt homogen verteilt sind.
Sind zwei Wellenlängenkonversionsstoffe in dem Bauelement verwendet, so sind diese bei einer Ausführungsform räumlich getrennt angeordnet, derart, dass das Bauelement zwei voneinander verschiedene Bereiche umfasst, von denen jeder nur einen der beiden Wellenlängenkonversionsstoffe aufweist. So können die beiden Wellenlängenkonversionsstoffe, _ . beispielsweise räumlich getrennt voneinander angeordnet werden, indem der erste Wellenlängenkonversionsstoff in der Umhüllung des Halbleiterkörpers enthalten ist und der zweite Wellenlängenkonversionsstoff in einer zweiten Wellenlängenkonversionsschicht angrenzend an den Halbleiterkörper. Weiterhin ist es möglich, die zwei Wellenlängenkonversionsstoffe räumlich getrennt anzuordnen, indem diese von zwei verschiedenen
Wellenlängenkonversionsschichten umfasst werden, von denen eine beispielsweise angrenzend an den Halbleiterkörper angeordnet und die andere dieser in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers nachgeordnet ist.
Sind die beiden Wellenlängenkonversionsstoffe räumlich getrennt angeordnet, so sind der Bereich, der den ersten Wellenlängenkonversionsstoff enthält und der Bereich, der den zweiten Wellenlängenkonversionsstoff enthält, besonders bevorzugt der Strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers so nachgeordnet, dass die Wellenlänge in die Strahlung der ersten Wellenlänge von dem jeweiligen Wellenlängenkonversionsstoff konvertiert wird, vom Halbleiterkörper her gesehen in dessen Abstrahlrichtung jeweils kürzer ist als die Wellenlänge in die der bezüglich der Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers vorangehenden Wellenlängenkonversionsstoff die Strahlung der ersten Wellenlänge konvertiert. Eine derart räumlich getrennte Anordnung der Wellenlängenkonversionsstoffe bietet den Vorteil, dass Absorption von bereits von dem einen Wellenlängenkonversionsstoff konvertierter Strahlung durch den anderen Wellenlängenkonversionsstoff besonders effektiv verringert werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff und ggf. dem zweiten Wellenlängenkonversionsstoff in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers eine zweite selektiv reflektierende Schicht nachgeordnet, die einen vorgegeben Anteil der Strahlung der ersten Wellenlänge selektiv reflektiert und für einen weiteren Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge sowie für Strahlung der zweiten Wellenlänge und ggf. für Strahlung der dritten Wellenlänge durchlässig ist. Mit Hilfe einer solchen zweiten selektiv reflektierenden Schicht kann die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass Strahlung der ersten Wellenlänge von dem ersten oder ggf. dem zweiten Wellenlängenkonversionsstoff umgewandelt wird. Auf diese Weise kann der Anteil an konvertierter Strahlung gezielt erhöht werden und daher vorteihafterweise ein Bauelement mit einer geringeren Menge an Wellenlängenkonversionsstoffen realisiert werden gegenüber einem Bauelement ohne zweite selektiv reflektierende Schicht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform emittiert die aktive Halbleiterschichtenfolge im Betrieb des Bauelements einen Großteil der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Wellenlänge senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene . Mit anderen Worten ist die von der aktiven
Halbleiterschichtenfolge emittierte elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge praktisch vollständig oder zumindest großteils gerichtet, und zwar bevorzugt parallel zur Flächennormalen auf die Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichtenfolge .
Eine solche gerichtete Strahlung kann zum Beispiel mit einem Halbleiterkörper erzielt werden, der ein Dünnfilm- Leuchtdioden-Chip ist. Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert 'scher Oberflächens.trahler ._ Insbesondere nimmt die Strahlungsintensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung in guter Näherung mit dem Kosinus des Winkels zwischen der Flächennormalen auf die aktive Halbleiterschichtenfolge und der Richtung, in welche die Strahlung emittiert wird, ab.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere ' durch folgende charakteristische Merkmale aus: an einer zu einem Trägerelement hin gewandten, ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers, der insbesondere epitaktisch gewachsen ist - anders ausgedrückt auf der Rückseite des Halbleiterkörpers, die der Strahlungsemittierenden Vorderseite gegenüberliegt - ist eine Reflektorschicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der aktiven Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in den Halbleiterkörper zurückreflektiert; - der Halbleiterkörper weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und der Halbleiterkörper enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in dem Halbleiterkörper führt, d.h. er weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdioden-Chips ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al . , Appl . Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Beispiele für Dünnschicht- Leuchtdioden-Chips sind in den Druckschriften EP 0905797 A2 und WO 02/13281 Al beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weisen die erste und/oder ggf. die zweite selektiv reflektierende Schicht eine Schichtenfolge mit dielektrischen Schichten mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex auf. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der ersten und/oder ggf. der zweiten selektiv reflektierenden Schicht mit einer Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex um einen Bragg-Reflektor, da ein solcher gegenüber anderen spiegelnden Schichten, wie z.B. Metallschichten, in der Regel geringere Absorption der reflektierten Strahlung aufweist. Ein Bragg-Reflektor ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert . Bei einer vorteilhaften Ausführungsform hat die erste selektiv reflektierende Schicht einen hohen Transmissionsgrad und insbesondere einen geringen Reflexionsgrad für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner ist, als eine Grenzwellenlänge λG. Die erste selektiv reflektierende Schicht ist bei dieser Ausführungsform bevorzugt als Schichtenfolge mit dielektrischen Schichten mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex, die insbesondere einen Bragg-Reflektor darstellen, ausgeführt.
Dagegen hat die erste selektiv reflektierende Schicht einen hohen Reflexionsgrad und insbesondere einen geringen Transmissionsgrad für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die größer ist, als eine Grenzwellenlänge λG. Der Übergang zwischen dem Wellenlängenbereich, für den die selektiv reflektierende Schicht einen hohen Reflexionsgrad hat, und dem Wellenlängenbereich, für den sie einen hohen Transmi-ss-ionsgrad hat, -erfolgt möglichst: scharf, zum Beispiel" innerhalb eines Wellenlängenbereichs von kleiner oder gleich 10 ran, bevorzugt von kleiner oder gleich 5 nm, beispielsweise von etwa 3 nm um die Grenzwellenlänge λG.
Vorzugsweise stellt die selektiv reflektierende Schicht bei dieser Ausführungsform einen Kurzpass-Filter, oft auch als Hochpass-Filter bezeichnet, mit der Grenzwellenlänge λG dar. Das heißt, die erste selektiv reflektierende Schicht ist im Wesentlichen durchlässig für elektromagnetische Strahlung, für die die sie einen hohen Transmissionsgrad hat und reflektiert elektromagnetische Strahlung, für die sie einen hohen Reflexionsgrad hat, im Wesentlichen vollständig. Mit anderen Worten transmittiert die selektiv reflektierende Schicht vorzugsweise Strahlung, deren Wellenlänge kleiner ist als die Grenzwellenlänge λG, praktisch vollständig und reflektiert vorzugsweise Strahlung, deren Wellenlänge kleiner ist als die Grenzwellenlänge λG, praktisch vollständig.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ändert sich die Grenzwellenlänge λG mit dem Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf die erste selektiv reflektierende Schicht. Beispielsweise ist die Grenzwellenlänge λG bei senkrechtem Strahlungseinfall, entsprechend einem Einfallswinkel von 0°, maximal und nimmt mit zunehmendem Einfallswinkel ab. Beispielsweise ist die Grenzwellenlänge λG für Strahlung mit einem Einfallswinkel von 45° um 20 nm oder mehr, vorzugsweise um 50 nm oder mehr, kleiner als die Grenzwellenlänge λG für Strahlung mit einem Einfallswinkel von 0°. Diese Eigenschaft kann beispielsweise mit einem Bragg-Reflektor in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise erzielt werden und wird daher an dieser Stelle nicht näher ausgeführt.
Die Grenzwellenlänge wird dabei bevorzugt so gewählt, dass elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge, die im Betrieb des Bauelements von der aktiven Halbleiterschichtenfolge senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene emittiert wird, von der ersten selektiv reflektierenden Schicht transmittiert wird. Elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge, die unter einem Winkel auf die erste selektiv reflektierende Schicht trifft, wird dagegen von dieser reflektiert. Besonders bevorzugt ist die Grenzwellenlänge λG für senkrecht einfallende elektromagnetische Strahlung nur geringfügig größer als die erste Wellenlänge. Beispielsweise ist die Grenzwellenlänge λG für senkrecht einfallende elektromagnetische Strahlung um 5 nm bis 100 nm, bevorzugt um 10 nm bis 50 nm und besonders bevorzugt um 20 nm bis 50 nm, größer als die erste Wellenlänge, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind.
Vorteilhafterweise wird auf diese Weise auch elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge, die beispielsweise in der ersten und/oder zweiten Wellenlängenkonversionsschicht, in der Umhüllung oder anderweitig ohne Wellenlängenkonversion zu dem Halbleiterkörper zurückgestreut wird und die nicht senkrecht sondern unter einem Winkel auf die erste selektiv reflektierende Schicht trifft, nicht im Halbleiterkörper absorbiert. So trägt auch die gestreute Strahlung der ersten Wellenlänge zur Emission des Bauelements bei. Zudem passiert die vom Halbleiterkörper emittierte Strahlung der ersten Wellenlänge, die senkrecht oder annähernd senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichtenfolge emittiert wird, _die. erste selektiv reflektierende Schicht_ praktisch vollständig. So ist, insbesondere bei Dünnfilm- Leuchtdioden-Chips, welche im Betrieb elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge größtenteils senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichtenfolge emittieren, die Strahlungsausbeute des Bauelements mit Vorteil weiter erhöht.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Halbleiterkörper in der Regel nicht Strahlung einer einzigen ersten Wellenlänge aussendet, sondern Strahlung mehrerer unterschiedlicher erster Wellenlängen, die bevorzugt von einem gemeinsamen ersten Wellenlängenbereich umfasst werden. Der erste oder ggf. der zweite Wellenlängenkonversionsstoff wandelt Strahlung zumindest von einer einzigen ersten Wellenlänge in Strahlung mindestens einer weiteren, zweiten oder dritten Wellenlänge um. In der Regel wandelt der erste oder ggf. der zweite Wellenlängenkonversionsstoff Strahlung mehrerer erster Wellenlängen, die bevorzugt von einem ersten Wellenlängenbereich umfasst werden, in Strahlung mehrerer weiterer, zweiter oder dritter Wellenlängen um, die wiederum bevorzugt von einem weiteren gemeinsamen zweiten oder dritten Wellenlängebereich umfasst werden.
Der erste bzw. der zweite Wellenlängenkonversionsstoff wandelt Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung der zweiten bzw. dritten Wellenlänge um, indem er diese absorbiert, hierdurch in einen angeregten Zustand übergeht und durch Reemission von Strahlung einer größeren Wellenlänge wieder in den Grundzustand zurückkehrt .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren IA bis 5 näher erläuterten fünf Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur IA, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ,
Figur IB, Emissionsspektrum eines Halbleiterkörpers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur IC, Emissionsspektrum eines
Wellenlängenkonversionsstoffes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel , Figur ID, tabellarische Darstellung einer Schichtenfolge einer selektiv reflektierenden Schicht gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur IE, Darstellung des Brechungsindexverlaufes in Abhängigkeit der Schichtdicke gemäß der Schichtenfolge aus Figur ID,
Figur IF, Reflektivität der selektiv reflektierenden Schicht gemäß der Figuren ID und IE,
Figur IG, schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 2, schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ,
Figur 3, schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ,
Figur 4, schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ,
Figur 5, schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, und Figur 6, schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelementes gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichtdicken oder Partikelgrößen, zum besseren Verständnis und/oder besseren Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelementes gemäß Figur IA wird als strahlungsemittierender Halbleiterkörper 1 ein Leuchtdiodenchip (kurz „LED-Chip") verwendet, der eine aktive Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst, die vorliegend auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial basiert. Die
Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt im Betrieb Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, die im Betrieb von einer Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 emittiert wird. Ein Emissionsspektrum einer aktiven Halbleiterschichtenfolge 2, die Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich emittiert, ist zum Beispiel in Figur IB zu sehen. Wie hier gezeigt, werden die ersten Wellenlängen, die der Halbleiterkörper emittiert, von einem ersten Wellenlängenbereich 21 umfasst, der ein Intensitätsmaximum bei etwa bei 460 nm aufweist.
Der Halbleiterkörper 1 ist vorliegend auf einen Träger 4, beispielsweise eine Leiterplatte, montiert und wird von einer Umhüllung 5 umschlossen, die einen ersten Wellenlängenkonversionsstoff 6 und ein Matrixmaterial 7 aufweist. Der erste Wellenlängenkonversionsstoff 6 wandelt die Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge um, die vorliegend beispielsweise aus dem gelben Spektralbereich stammt .
Als erster Wellenlängenkonversionsstoff 6, der die Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, wie sie beispielsweise in Figur IB gezeigt ist, in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich umwandelt, kann beispielsweise YAG: Ce oder ein anderer geeigneter Granatleuchtstoff wie beispielsweise (YaLUbGdcTbd) 3 (AlxGay) 5Oi2 : Ce verwendet werden. Vorzugsweise sind die Anteile a, b, c und d größer oder gleich 0 und kleiner oder gleich 1 und es gilt a+b+c+d = 1. Entsprechend sind x und y vorzugsweise größer oder gleich 0 und kleiner oder gleich 1 und es gilt x+y-= 1. Zu -diesen Leuchtstoffen gehören zum Beispiel Cer-dotierter TbAl-Granatleuchtstoff und Cer-dotierter (Y, Gd)Al-Granatleuchtstoff .
Weitere geeignete Leuchstoffe, die insbesondere Strahlung im gelben Wellenlängenbereich emittieren, sind zum Beispiel ein mit einem Seltenerdmetall dotierter Orthosilikat-Leuchtstoff, wie beispielsweise A2SiO4: Eu2+, wobei A für Sr und/oder Ba stehen kann und ein Oxinitrid-Leuchtstoff wie (Ca, Sr, Ba) Si2O2N2 : Eu.
Alternativ oder zusätzlich kann, zum Beispiel zur Farbanpassung, ein Leuchtstoff verwendet werden, der beispielsweise Strahlung der ersten Wellenlänge, etwa aus dem blauen Spektralbereich, wie sie beispielsweise in Figur IB gezeigt ist, in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich umwandelt. Zu diesen Leuchtstoffen gehören sulfidische Systeme wie zum Beispiel (Sr, Ca) S: Eu und nitridische Leuchtstoffe, wie etwa (Sr, Ca) 2Si5N8:Eu oder CaAlSiN3: Eu, sowie chemisch mit diesen Systemen verwandte Leuchtstoffe.
Das Emissionsspektrum eines Wellenlängenkonversionsstoffes 6, der Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich umwandelt ist beispielhaft in Figur IC dargestellt. Wie hier zu sehen, werden die zweiten Wellenlängen, die der erste Wellenlängenkonversionsstoff 6 emittiert, ebenfalls von einem zweiten Wellenlängenbereich 61 umfasst. Das Intensitätsmaximum dieses Emissionsspektrums liegt bei ca. 560 niti.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur IA liegt der erste Wellenlängenkonversionsstoff 6 in Form von Partikel vor, die in dem Matrixmaterial 7 der Umhüllung 5 vorzugsweise im Wesentlichen homogen verteilt sind.
„Im Wesentlichen homogen verteilt" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Partikel des
Wellenlängenkonversionsstoffes 6 zumindest in einem Teilvolumen des Matrixmaterials 7 weitestgehend gleichmäßig verteilt sind. Insbesondere bedeutet es, dass die Partikel möglichst nicht oder in vernachlässigbarer Weise agglomeriert sind. Allerdings ist es dabei nicht ausgeschlossen, dass, z.B. auf Grund von Sedimentation der Partikel während des Aushärtens des Matrixmaterials 7, eine geringfügige Abweichung der Anordnung der Partikel in dem Matrixmaterial 7 von einer idealen Gleichverteilung auftritt. Eine erste selektiv reflektierende Schicht 8 bedeckt vorliegend die der Strahlungsemittierenden Vorderseite 3 zugewandte Fläche und die Flanken 1001 des Halbleiterkörpers 1 (vgl. Figur IA) . Die erste selektiv reflektierende Schicht 8 reflektiert Strahlung der zweiten Wellenlänge selektiv in die Umhüllung 5 und ist durchlässig für Strahlung der ersten Wellenlänge .
Die erste selektiv reflektierende Schicht 8 umfasst beispielsweise eine Abfolge aus dielektrischen Schichten mit alternierend niedrigem und hohem Brechungsindex. Bevorzugt ist der Brechungsindexunterschied zwischen den Materialien hoch, damit die Zahl der Schichten gering ausfällt. Weiterhin absorbieren die verwendeten dielektrischen Materialien bevorzugt nur geringfügig Strahlung der ersten Wellenlänge und Strahlung der zweiten Wellenlänge. Eine Schichtenfolge, die geeignet ist, bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren IA bis IC als erste^ selektiv reflektierende Schicht 8 eingesetzt zu werden, ist in Figur ID tabellarisch aufgeführt .
Als niedrig brechendes Material wird hierbei Siliziumdioxid (SiC>2) mit einem Brechungsindex von ca. 1,5 verwendet. Diese niedrig brechenden SiO2-Schichten wechseln sich mit hoch brechenden Schichten ab, die beispielsweise Titandioxid (TiC>2) mit einem Brechungsindex von ca. 2,9 umfassen. Anstelle des Titandioxids kann beispielsweise auch Magnesiumfluorid (MgF2) , Aluminiumoxid (Al2O3) , Tantaloxid (TaO) oder Hafniumdioxid (HfO2) als hoch brechendes Material verwendet werden. Diese Schichten können in der Regel aufgedampft, etwa mittels eines thermischen
Verdampfungsprozesses und/oder mittels Verdampfung mit Hilfe eines Elektronenstrahls, aufgesputtert oder mittels chemischer Verfahren (chemical vapour deposition, kurz „CVD") aufgebracht werden .
Weiterhin kann als erste selektiv reflektierende Schicht 8 auch eine Schichtenfolge aus epitaktisch gewachsenen Schichten aufgebracht werden, die beispielsweise alternierend aus GaN-Schichten und AlxGa^_XN-Schichten aufgebaut sind, wobei durch Wahl des Aluminiumanteils der Brechungsindexunterschied zwischen den Schichten geeignet eingestellt wird.
Als weitere Alternative kann die selektiv reflektierende Schicht 8 aufgeschlämmt, aufgeschleudert oder aufgesprüht werden. Beispielsweise wird eine Folge von Schichten, wie etwa SiO2- und TiO2-Schichten, mittels eines Sol-Gel- Verfahrens aufgebracht. Eine Photolack-Schicht oder Polymer- Schicht, insbesondere eine Folge von Photolack- und/oder Polymer-Schichten mit ^alternierend hohem, und„niedrigem Brechungsindex, wird bevorzugt aufgesprüht oder aufgeschleudert .
Figur IE zeigt den Brechungsindex der Schichtenfolge der ersten selektiv reflektierenden Schicht 8 in Abhängigkeit der Schichtdicke gemäß der tabellarischen Aufstellung der Figur ID. Die Schichtenfolge gemäß der Figuren ID und IE umfasst eine Abfolge von zehn Schichtpaaren, die jeweils eine SiO2- Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex von ca. 1,5 und eine TiO2-Schicht mit einem hohen Brechungsindex von ca. 2,9 aufweist. Weiterhin ist die Schichtenfolge so aufgebaut, dass Schichtpaare zu Schichtpaketen zusammengefasst sind, deren SiO2-Schichten bzw. TiO2-Schichten jeweils ähnliche Dicken aufweisen. Wie den Figuren ID und IE zu entnehmen ist, umfasst das erste Schichtpaket die Schichten eins bis sechs, also drei Schichtpaare aus jeweils einer TiO2-Schicht (hoher Brechungsindex von ca. 2,9) und einer SiO2-Schicht (niedriger Brechungsindex von ca. 1,5), wobei die Dicken der TiO2- Schichten zwischen ca. 60 nm und ca. 80 ran und die Dicken der SiO2-Schichten zwischen ca. 128 nm und ca. 200 nm liegen. Das zweite Schichtpaket umfasst die Schichten sieben bis vierzehn, also vier Schichtpaare aus jeweils einer TiO2- Schicht und einer SiO2-Schicht, wobei die Dicken der TiO2- Schichten zwischen ca. 60 nm und ca. 80 nm und die Dicken der SiO2-Schichten zwischen ca. 60 nm und ca. 95 nm liegen. Das dritte Schichtpaket ist ähnlich zu dem ersten Schichtpaket aufgebaut. Es umfasst die Schichten fünfzehn bis zwanzig, wobei die Dicken der TiO2-Schichten zwischen ca. 60 nm und ca. 80 nm und die Dicken der SiO2-Schichten zwischen ca. 110 nm und ca. 200 nm liegen. Der Dickenunterschied zwischen der niedrig brechenden SiO2-Schicht und der hoch brechenden TiO2- Schicht eines Schichtpaares ist somit innerhalb des ersten und des dritten Schichtpaketes deutlich größer als innerhalb des zweiten Schichtpaketes .
Die Schichtenfolge gemäß der Figuren ID und IE reflektiert Strahlung selektiv, wie das Reflexionsspektrum der Figur IF zeigt. Die Reflektivität dieser Schichtenfolge ist gering für Wellenlängen λ < λG, während sie für Wellenlängen λ > λG nahezu 100 % beträgt, wobei die Grenzwellenlänge λG 500 nm beträgt. Die hohe Reflektivität über einen relativ großen Wellenlängenbereich (von ca. 500 nm bis ca. 800 nm) wird insbesondere durch den oben beschriebenen Aufbau mit den unterschiedlichen Dicken der hoch brechenden und der niedrig brechenden Schichten erzielt. Bei dem Bauelement gemäß Figur IA wird Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich innerhalb der aktiven Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt und bis auf geringe Anteile der Strahlung, die von den Flanken 1001 des Halbleiterkörpers 1 ausgesendet werden, von dessen Vorderseite 3, abgestrahlt. Da die erste selektiv reflektierende Schicht 8 durchlässig ist für die Strahlung der ersten Wellenlänge, durchläuft sie diese nahezu ungehindert und dringt in die Umhüllung 5 mit dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff 6. Trifft Strahlung der ersten Wellenlänge auf ein Partikel des ersten
Wellenlängenkonversionsstoffes 6, so wird diese in Strahlung der zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich umgewandelt. Beim Durchlaufen der Umhüllung 5 wird so ein Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung der zweiten Wellenlänge umgewandelt, während ein weiterer Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge die Umhüllung 5 unkonvertiert durchläuft, so_dass das Bauelement Mischstrahlung mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE- Normfarbtafel aussendet, die Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich und Strahlung der zweiten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich aufweist. Trifft konvertierte Strahlung der zweiten Wellenlänge auf die erste selektiv reflektierende Schicht 8, so wird sie von dieser zurück in die Umhüllung 5 reflektiert und wird vorteilhafterweise nicht von dem Halbleiterkörper 1 absorbiert .
Bei der in Figur IG dargestellten Variante des ersten Ausführungsbeispiels ist die Grenzwellenlänge λG vom Einfallswinkel α einer auf die erste selektiv reflektierende Schicht 8 einfallenden elektromagnetischen Strahlung 201, 202, 601 zur Flächennormalen 19 abhängig. Vorliegend nimmt sie mit zunehmendem Einfallswinkel α ab.
Beispielsweise emittiert die aktive Halbleiterschichtenfolge 2 im Betrieb elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge 201, etwa mit einer Wellenlänge λ = 470 nm, im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichtenfolge 2. Diese Strahlung 201 trifft im Wesentlichen senkrecht (α = 0°) auf die erste selektiv reflektierende Schicht 8, deren Grenzwellenlänge für senkrecht auftreffende Strahlung, λG(ot=O°), vorliegend 490 nm beträgt, so dass die emittierte Strahlung 201 durch die erste selektiv reflektierende Schicht 8 hindurchtreten kann.
Ein Teil der elektromagnetischen Strahlung der ersten Wellenlänge 201 wird von dem
Wellenlängenlängenkonversionsstoff 6 in längerwellige elektromagnetische Strahlung 601 konvertiert, beispielsweise mit einer Wellenlänge im gelben Spektralbereich, etwa 600 nm. Die konvertierte elektromagnetische Strahlung 601 wird von der ersten selektiv reflektierenden Schicht 8, insbesondere unter allen Einfallswinkeln α, reflektiert.
Ein anderer Teil 202 der elektromagnetischen Strahlung der ersten Wellenlänge 201 wird, beispielsweise von dem Matrixmaterial 7, ohne Wellenlängenkonversion gestreut und trifft unter einem Winkel α>0°, beispielsweise α=45°, auf die erste selektiv reflektierende Schicht 8. Die Grenzwellenlänge für Strahlung, die unter einem Einfallswinkel α = 45° auf die erste selektiv reflektierende Schicht trifft, λG(α=45°), beträgt zum Beispiel 450 nm, so dass die ohne Wellenlängenkonversion gestreute Strahlung 202 von der ersten selektiv reflektierenden Schicht 8 reflektiert wird und zur Emission des Bauelements beiträgt.
Die selektiv reflektierende Schicht 8 ist bei dem in Figur IG dargestellten Ausführungsbeispiel monolithisch in die Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 integriert. Beispielsweise ist sie alternierend aus epitaktisch gewachsenen GaN-Schichten und AlxGa]__XN-Schichten aufgebaut und stellt einen Bragg-Reflektor dar. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Figur IA sind die Flanken 1001 des Halbleiterkörpers 1 frei von der selektiv reflektierenden Schicht 8.
Bei dem Halbleiterkörper 1 handelt es sich vorliegend um einen Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip mit einer Dicke von kleiner oder gleich 20 μm, beispielsweise von 10 μm. Der Dünnfilm- Leuchtdioden-Chip 1 basiert auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial .und umfasst eine n-dotierte Schicht 101, vorliegend eine n-dotierte Ladungsträger- Einschluss-Schicht („confinement layer") , die aktive Schicht oder aktive Halbleiterschichtenfolge 2 und eine p-dotierte Ladungsträger-Einschluss-Schicht 102.
Die Herstellung des Dünnfilm-Leuchtdiodenchip umfasst das epitaktische Aufwachsen des Halbleiterkörpers 1 auf ein Aufwachssubstrat. Dabei ist die n-dotierte Ladungsträger- Einschluss-Schicht 101 dem AufwachsSubstrat benachbart und die p-dotierte Ladungsträger-Einschluss-Schicht ist von dem Aufwachssubstrat abgewandt .
Der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip 1 ist auf einem Hilfsträger 40 befestigt. Zwischen dem Hilfsträger 40 und dem Halbleiterkörper 1, also auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers 1, die der p-dotierten Ladungsträger- Einschluss-Schicht 102 benachbart ist, ist eine Reflektorschicht 41 angeordnet. Das der n-dotierten Ladungsträger-Einschluss-Schicht 101 benachbarte Aufwachssubstrat ist gedünnt oder entfernt.
Der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1, beispielsweise die n- dotierte und/oder die p-dotierte Ladungsträger-Einschluss- Schicht 101, 102, weist eine Fläche oder Schicht mit einer Durchmischungsstruktur auf, die zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in dem Halbleiterkörper führt. Der Halbleiterkörper 1 hat eine annähernd Lambert' sehe Abstrahlcharakteristik, so dass ein Großteil des Lichts senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Halbeiterschichtenfolge 2 emittiert wird.
Bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist im Unterschied zu. dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren IA und IG die erste selektiv reflektierende Schicht 8 auch seitlich des Halbleiterkörpers 1 auf dem Boden des Trägers 4 ausgebildet. Alternativ zu der ersten selektiv reflektierenden Schicht 8 kann seitlich des Halbleiterkörpers 1 auch eine glatt oder diffus in einem breiten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes, also eine nicht selektiv reflektierende Schicht 9 ausgebildet sein, beispielsweise eine Metallschicht, die Gold oder Silber aufweist.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren IA, IG und 2 ist der erste Wellenlängenkonversionsstoff 6 bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß der Figur 3 nicht in der Umhüllung 5 enthalten, sondern wird von einer ersten Wellenlängenkonversionsschicht 10 umfasst, die auf die Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 angrenzend an die erste selektiv reflektierende Schicht 8 aufgebracht ist. Wie die Umhüllung 5 weist die erste Wellenlängenkonversionsschicht 10 ein Matrixmaterial 11 auf, in dem die Partikel des ersten Wellenlängenkonversionsstoffes 6 vorzugsweise im Wesentlichen homogen verteilt sind.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren IA, IG, 2 und 3 umfasst das optoelektronische Bauelement gemäß Figur 4 einen zweiten Wellenlängenkonversionsstoff 12, der einen Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten und zweiten Wellenlänge verschiedenen dritten Wellenlänge umwandelt. Der zweite Wellenlängenkonversionsstoff 12 weist vorliegend ebenfalls Partikel auf, die in einem Matrixmaterial 13 einer zweiten Wellenlängenkonversionsschicht 14 vorzugsweise im Wesentlichen homogen verteilt sind. Die zweite _Wellenlängenkonversionsschicht .14 .ist, wie die erste Wellenlängenkonversionsschicht 10 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3, angrenzend an die erste selektiv reflektierende Schicht 8 angeordnet, die von der Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 umfasst ist.
Die zweite Wellenlängenkonversionsschicht 14 mit dem zweiten Wellenlängenkonversionsstoff 12 kann beispielsweise in Verbindung mit einem Halbleiterkörper 1 verwendet werden, dessen aktive Halbleiterschichtenfolge 2 elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge aus dem ultravioletten Bereich erzeugt . In diesem Fall wandelt der zweite Wellenlängenkonversionsstoff 12 bevorzugt einen Teil der ultravioletten Strahlung des Halbleiterkörpers 1 in Strahlung einer dritten Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich um, während ein weiterer Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem ultravioletten Spektralbereich bevorzugt von dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff 6 in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich umgewandelt wird, so dass das Bauelement Mischstrahlung aus Strahlung der ersten Wellenlänge und Strahlung der zweiten Wellenlänge mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE- Normfarbtafel aussendet. Bevorzugt wird die Strahlung der ersten Wellenlänge durch den ersten Wellenlängenkonversionsstoff 6 und den zweiten WellenlängenkonversionsStoff 12 hierbei vollständig in Strahlung der zweiten und der dritten Wellenlänge umgewandelt .
Der zweite Wellenlängekonversionsstoff 12, beispielsweise enthalten in einer zweiten Wellenlängenkonversionsschicht 14 wie in Figur 4, kann aber auch in Verbindung mit einem Halbleiterkörper 1 verwendet werden, der Strahlung einer ersten_Wellenlänge aus dem sichtbaren, beispielsweise blauen, Spektralbereich aussendet. In diesem Fall wandelt der zweite Wellenlängenkonversionsstoff 12 in der
Wellenlängenkonversionsschicht 14 einen Teil der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer dritten Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich um, während der erste Wellenlängenkonversionsstoff 10 in der Umhüllung 5 einen weiteren Teil der Strahlung der erste Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich in Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich umwandelt . Das Bauelement sendet in diesem Fall ebenfalls Mischstrahlung mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel aus, die Strahlung der ersten Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, Strahlung der zweiten Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich und Strahlung der dritten Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich umfasst . Im Unterschied zu den oben beschriebenen
Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren IA, IG, 2, 3 und 4 ist der Halbleiterkörper 1 bei dem Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 nicht auf einen Träger 4 montiert, sondern in eine Reflektorwanne 15 eines Bauelementgehäuses, die der Strahlformung dient. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur IA ist der Halbleiterkörper 1 von einer Umhüllung 5 umgeben, die den ersten Wellenlängenkonversionsstoff 10 umfasst. Weiterhin weist das Bauelement gemäß der Figur 5 im Unterschied zu den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen eine zweite selektiv reflektierende Schicht 16 auf, die dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff 6 in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers 1 nachgeordnet ist und einen definierten Teil der von dem Halbleiterkörper 1 emittierten Strahlung der ersten Wellenlänge zurück in die den ersten Wellenlängenkonversionsstoff 6 umfassende Umhüllung 5 reflektiert und durchlässig ist für konvertierte Strahlung der zweiten Wellenlänge. Wie die erste selektiv reflektierende Schicht 8 ist auch die zweite selektiv reflektierende Schicht 16 beispielsweise aus dielektrischen Schichten mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex aufgebaut . Nachfolgend in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers 1 ist auf die zweite selektiv reflektierende Schicht 16 weiterhin Matrixmaterial 7 der Umhüllung 5 aufgebracht.
Auch bei dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem in Figur 6 veranschaulichten sechsten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper 1 in eine Reflektorwanne 15 eines Bauelementgehäuses montiert und mit einem Bonddraht (nicht gezeigt) an seiner Vorderseite 3 elektrisch kontaktiert. Die von der Reflektorwanne 15 gebildete Ausnehmung ist mit einer Vergussmasse 5 gefüllt, die den Halbleiterkörper umhüllt. Die Umhüllung 5 enthält jedoch vorliegend keinen Wellenlängenkonversionsstoff. Alternativ kann ganz auf die Umhüllung 5 verzichtet werden.
Stattdessen umfasst das Bauelement ein Abdeckelement 18, das ein TrägerSubstrat 17, beispielsweise ein Glassubstrat, aufweist. Das Glassubstrat hat beispielsweise eine Dicke zwischen 10 und 300 μm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorliegend hat es eine Dicke von etwa 100 μm. Alternativ kann das Trägersubstrat 17 auch eine Folie, beispielsweise eine Nitrozellulose-Membran, sein. Die Folie hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,5 μm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 5 μm, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Beispielsweise beträgt die Dicke der Folie etwa 2 μm.
Auf der dem Halbleiterkörper 1 zugewandten , vorliegend zur Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 parallelen, Hauptfläche
171 des Glassubstrats 17 ist die erste selektiv reflektierende Schicht 8 angeordnet. Auf der vom Halbleiterkörper 1 abgewandten, vorliegend ebenfalls zur Vorderseite 3 des Halbleiterkörpers 1 parallelen, Hauptfläche
172 des Glassubstrats 17 ist die erste Wellenlängenkonversionsschicht 10 angeordnet.
Das Abdeckelement 18 ist mit dem Bauelementgehäuse, insbesondere mit einem Rand der Reflektorwanne 15 und/oder mit der Umhüllung 5, mechanisch stabil verbunden, beispielsweise verklebt. Seitlich des Halbleiterkörpers, auf der Bodenfläche und/oder den Seitenflächen der Ausnehmung kann zusätzlich eine weitere glatt oder diffus reflektierende Schicht ausgebildet sein, die von dem Halbleiterkörper emittierte Strahlung zur Vorderseite des Bauelements, insbesondere zum Abdeckelement hin, reflektiert.
Der erste und der zweite Wellenlängenkonversionsstoff 6, 12 sind vorzugsweise 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 .
Als Matrixmaterial für die Umhüllung 5, die erste Wellenlängenkonversionsschicht 10 und die zweite Wellenlängenkonversionsschicht 14 eignen sich bevorzugt transparent aushärtbare polymere Materialien, wie Epoxide, Acrylate, Polyester, Polyamide, Polyimide, Polyurethane, Polyvenylchlorid, Silikone, Polysiloxan-haltige Polymere oder auch Mischungen dieser Materialien.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen 102005046368.1 und 102005062514.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement mit:
- einem Halbleiterkörper (1) , der eine aktive Halbleiterschichtenfolge (2) umfasst, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu erzeugen, die von einer Vorderseite (3) des Halbleiterkörpers (1) emittiert wird,
- einem dem Halbleiterkörper (1) in dessen Abstrahlrichtung nachgeordneten ersten Wellenlängenkonversionsstoff (6) , der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge umwände1t , und
- einer ersten selektiv reflektierenden Schicht (8) zwischen der aktiven Halbleiterschichtenfolge (2) und dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff (6) , die Strahlung der zweiten Wellenlänge selektiv reflektiert und für Strahlung der ersten Wellenlänge durchlässig ist.
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht (8) an die strahlungsemittierende Vorderseite (3) des Halbleiterkörpers (1) angrenzt.
3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht
(8) eine der Strahlungsemittierenden Vorderseite (3) zugewandte Hauptfläche des Halbleiterkörpers (1) und/oder die Flanken des Halbleiterkörpers überdeckt .
4. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht (8) monolithisch in die strahlungsemittierende Vorderseite (3) des Halbleiterkörpers (1) integriert ist.
5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht (8) von dem Halbleiterkörper (1) beabstandet ist.
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht
(8) auch seitlich des Halbleiterkörpers (1) ausgebildet ist.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem seitlich des Halbleiterkörpers (1) eine weitere reflektierende Schicht (9) ausgebildet ist.
8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die weitere reflektierende Schicht (9) eine Metallschicht ist.
9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, das Mischstrahlung aussendet, die Strahlung der ersten Wellenlänge und Strahlung der zweiten Wellenlänge umfasst.
10. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich und die zweite Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich stammen.
11. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, das einen zweiten Wellenlängenkonversionsstoff
(12) umfasst, der Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung einer von der ersten und zweiten Wellenlänge verschiedenen dritten Wellenlänge umwandelt.
12. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 11, bei dem die erste Wellenlänge aus dem ultravioletten Spektralbereich und die zweite und die dritte Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich stammen und das Bauelement Mischstrahlung aussendet, die Strahlung der zweiten und der dritten Wellenlänge aufweist.
13. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 11, bei dem die erste, die zweite und die dritte Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich stammen und das Bauelement Mischstrahlung aussendet, die Strahlung der ersten, der zweiten und der dritten Wellenlänge aufweist.
14. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 13, bei dem die erste Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, die- zweite Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich und die dritte Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich stammen.
15. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht (8) Strahlung der zweiten und der dritten Wellenlänge selektiv reflektiert und für Strahlung der ersten Wellenlänge durchlässig ist.
16. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem die Mischstrahlung einen Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel aufweist.
17. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (1) mit einer für die Strahlung des Bauelementes durchlässigen Umhüllung (5) versehen ist.
18. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 17, bei dem die Umhüllung (5) den ersten und/oder ggf. den zweiten Wellenlängenkonversionsstoff (6, 12) umfasst.
19. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 18, bei dem die Umhüllung (5) ein Matrixmaterial (7) aufweist und der erste und/oder ggf. der zweite Wellenlängenkonversionsstoff
(6,12) Partikel, die in das Matrixmaterial (7) der Umhüllung
(5) eingebettet sind.
20. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der erste Wellenlängekonversionsstoff (6) von einer ersten Wellenlängenkonversionsschicht (10) umfasst ist.
21. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 20, bei dem der zweite Wellenlängekonversionsstoff (12) von der ersten Wellenlängenkonversionsschicht (10) oder einer zweiten Wellenlängenkonversionsschicht (14) umfasst ist.
22. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 20 oder 21, bei dem die erste oder ggf . die zweite
Wellenlängenkonversionsschicht (10, 14) angrenzend an den Halbleiterkörper (1) angeordnet ist.
23. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 20 oder 21, bei dem die erste oder ggf. die erste und die zweite Wellenlängenkonversionsschicht (10, 14) von dem Halbleiterkörper (1) beabstandet ist/sind.
24. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 23, mit einem Abdeckelement (18), das die erste und/oder ggf. die zweite Wellenlängenkonversionsschicht (10, 14) und/oder die erste selektiv reflektierende Schicht (8) umfasst.
25. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 24, bei dem das Abdeckelement (18) ein Trägersubstrat (17) umfasst.
26. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 25, bei dem das Trägersubstrat (17) Glas enthält.
27. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 25, bei dem das Trägersubstrat (17) eine Folie ist.
28. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 27, bei dem die erste und/oder ggf. die zweite Wellenlängenkonversionssehicht - (10, - 14) eine konstante Dicke aufweist .
29. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 28, bei dem die erste und/oder ggf. die zweite Wellenlängenkonversionsschicht (10, 14) ein Matrixmaterial
(11, 13) aufweist und der erste und/oder ggf. der zweite Wellenlängenkonversionsstoff (6, 12) Partikel, die in dem Matrixmaterial (11, 13) der ersten/zweiten Wellenlängenkonversionsschicht (10, 14) eingebettet sind.
30. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 19 und 29, bei dem die Partikel des ersten und/oder ggf. des zweiten Wellenlängenkonversionsstoffes (6, 12) im Wesentlichen homogen in dem Matrixmaterial (7) der Umhüllung
(5) oder dem Matrixmaterial (11, 13) der ersten und/oder ggf. der zweiten Wellenlängenkonversionsschicht (10, 14) verteilt sind.
31. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 30, bei dem der erste und der zweite Wellenlängenkonversionsstoff (6, 12) in zwei räumlich voneinander getrennten Bereichen angeordnet sind.
32. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 31, bei dem der Bereich, der den ersten Wellenlängenkonversionsstoff (6) enthält und der Bereich, der den zweiten Wellenlängenkonversionsstoff (12) enthält, der Strahlungsemittierenden Vorderseite (3) des Halbleiterkörpers (1) in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers (1) so nachgeordnet sind, dass die Wellenlänge in die die Strahlung der ersten Wellenlänge von dem jeweiligen
Wellenlängekonversionsstoff (6, 12) konvertiert wird, vom Halbleiterkörper (1) he.r gesehen in dessen Abstrahlrichtung jeweils kürzer ist als die Wellenlängenlänge in die der bezüglich der Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers (1) vorangehende Wellenlängenkonversionsstoff (6, 12) die Strahlung der ersten Wellenlänge konvertiert.
33. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem dem ersten Wellenlängenkonversionsstoff
(6) und ggf. dem zweiten Wellenlängenkonversionsstoff (12) in Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers (1) eine zweite selektiv reflektierende Schicht (16) nachgeordnet ist, die einen vorgegeben Anteil der Strahlung der ersten Wellenlänge selektiv reflektiert und durchlässig ist für einen weiteren Teil der Strahlung der ersten Wellenlängen und für Strahlung der zweiten Wellenlänge und ggf . für Strahlung der dritten Wellenlänge .
34. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei der ein Großteil der von der aktiven Halbleiterschichtenfolge (2) im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung senkrecht zur
Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichtenfolge emittiert wird.
35. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 34, bei dem der Halbleiterkörper (1) ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist.
36. Optoelektronisches Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht
(8) und/oder ggf. die zweite selektiv reflektierende Schicht (16) eine Schichtenfolge mit dielektrischen Schichten aufweist, die alternierend einen hohen und einen niedrigen
Brechungsindex haben.
37. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 36, bei dem die erste selektiv reflektierende Schicht (8) einen hohen Transmissionsgrad für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner einer Grenzwellenlänge λG und einen hohen Reflexionsgrad für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer der Grenzwellenlänge λG hat.
38. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 37, bei dem sich die Grenzwellenlänge λG mit dem Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf die erste selektiv reflektierende Schicht (8) ändert.
39. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 38, bei dem die Grenzwellenlänge λG mit zunehmendem Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf die erste selektiv reflektierende Schicht (8) abnimmt.
40. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 39, bei dem die Grenzwellenlänge λG für elektromagnetische Strahlung, die unter einem Einfallswinkel von 45° auf die erste selektiv reflektierende Schicht (8) trifft um 20 nm oder mehr kleiner ist als die Grenzwellenlänge λG für elektromagnetische Strahlung, die senkrecht auf die erste selektiv reflektierende Schicht trifft.
41. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 38 bis 40, bei dem
- elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge, die im Betrieb von der aktiven Halbleiterschichtenfolge (2) senkrecht zu der Haupterstreckungsebene der aktiven Schichtenfolge in Richtung der Vorderseite (3) des Halbleiterkörper-s- (1) -emittiert wird, -von- der ersten selektiv reflektierenden Schicht (8) transmittiert wird und
- elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge, die unter einem Winkel auf die erste selektiv reflektierenden Schicht trifft, von dieser reflektiert wird.
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