WO2013041629A1 - Verfahren und vorrichtung zur farbortsteuerung eines von einem licht emittierenden halbleiterbauelement abgestrahlten lichts - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur farbortsteuerung eines von einem licht emittierenden halbleiterbauelement abgestrahlten lichts Download PDF

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WO2013041629A1
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light
wavelength conversion
emitting semiconductor
conversion substance
intensity
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Dirk Berben
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light
    • H05B45/22—Controlling the colour of the light using optical feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light

Definitions

  • LEDs light emitting diodes
  • the color location of the entire mixed light emitted by the light source can be controlled. But it is necessary to do several
  • Supply electronics for example, in a common control unit to use to operate the individual LEDs with independently adjustable and different power can. Usually they are
  • At least one object of certain embodiments is to specify a method for color locus control of a light emitted by a light-emitting semiconductor component.
  • At least a task of others Embodiments is to provide an apparatus for performing the method.
  • the light-emitting semiconductor component has
  • Wavelength conversion substance is arranged downstream, so that the wavelength conversion substance from the primary light of the
  • Semiconductor chips is illuminated.
  • Wavelength conversion material converts part of the
  • the wavelength conversion substance can convert short-wave primary light into longer-wavelength secondary light.
  • the primary light can have a blue to green spectral range, preferably a blue spectral range, while the secondary light has a green to red spectral range, ie, for example, green light, yellow light, and / or red light.
  • the light emitted by the light-emitting semiconductor component is obtained by superposing the unconverted part of the light source Primary light and generated by the wavelength conversion material secondary light.
  • the color location of the light source Primary light is obtained by superposing the unconverted part of the light source Primary light and generated by the wavelength conversion material secondary light.
  • the at least one wavelength conversion substance has an intensity-dependent
  • Quantum efficiency QE (I) is called on. In other words, this means that the relative proportion of the primary light irradiated onto the wavelength conversion substance and of the at least one wavelength conversion substance in
  • the wavelength conversion substance can be embodied such that the conversion efficiency or quantum efficiency decreases with increasing light intensity of the semiconductor chip, ie with increasing intensity of the primary light.
  • Wavelength conversion substance radiated secondary light by controlling the intensity of the primary light to change or adjust. As a result, depending on the intensity of the primary light, the color locus of the light
  • Semiconductor chip is impressed on the semiconductor chip
  • duty cycle T The ratio between on and off time of the operating current during operation. If the turn-on time is 100% of the
  • the length of a period comprising a turn - on time and a turn - off time and thus also the frequency with which the
  • Connection times follow one another are preferably selected in the method described here in such a way that a uniform light impression is produced for the human eye due to its inertia.
  • the operating current I during the turn-on time corresponds to the desired color locus of the semiconductor component emitting light
  • Wavelength conversion substance for example one
  • the operating current I can be increased to the relative proportion of the unconverted primary light of the Increase mixed light or the relative proportion of
  • the duty cycle T is set in dependence on the selected operating current I such that the intensity emitted by the light-emitting semiconductor chip in the time average has a preselected constant value.
  • the constant value may be determined by the desired radiated intensity of the
  • Duty cycle T l, be predetermined. If the radiated intensity of the primary light for changing the color locus of the mixed light is increased by increasing the operating current I, the duty cycle T is correspondingly reduced in order to reduce the in the
  • the duty cycle T is set in dependence on the selected operating current I such that the light emitted by the light
  • emitting semiconductor component of radiated light having a preselected constant value, that is, a preselected average brightness.
  • a preselected constant value that is, a preselected average brightness.
  • the operating current I and / or the duty cycle T are adjusted by a correction value d1 or dT with increasing operating current I in order to obtain a constant brightness of the mixed light.
  • the method described here thus utilizes the fact that the wavelength conversion substance with the intensity-dependent conversion efficiency reacts to changes in the operating current impressed during a current pulse with a change in the proportion of the primary light which is converted into secondary light.
  • the color location of the emitted light of a single semiconductor chip with at least one wavelength conversion substance can thus be changed in a targeted manner without changing the radiated intensity of the primary light or the mixed light.
  • Color location of the radiated light for example, a light-emitting semiconductor device having a single light-emitting semiconductor chip with a Wavelength conversion substance or with only the same semiconductor chips with wavelength conversion material can be changed specifically.
  • a light-emitting semiconductor device having a single light-emitting semiconductor chip with a Wavelength conversion substance or with only the same semiconductor chips with wavelength conversion material can be changed specifically.
  • Wavelength conversion substance mixture and / or
  • Supply electronics can be operated, can be avoided.
  • the method described here offers the possibility of actively regulating the color locus of a single light-emitting semiconductor chip. Until now, this was not possible since it was not known to change the emission of a given wavelength conversion substance or a wavelength conversion substance mixture in a targeted manner.
  • the at least one wavelength conversion substance is selected from a nitridic wavelength conversion substance, a nitrido orthosilicate, chlorosilicate, orthosilicate, oxynitride and a sialon.
  • the wavelength conversion substance can be selected from an Eu-doped orthosilicate and particularly preferably from an Eu-doped nitrido-orthosilicate.
  • Such wavelength conversion materials can preferably convert blue light to green to yellow light.
  • the at least one wavelength conversion substance has an Eu-doped one
  • the wavelength conversion substance may in particular be a wavelength conversion substance having the empirical formula
  • Alkaline earth metal in particular one or more selected from Sr, Ba, Ca, Mg, and RE is a rare earth metal, in particular one or more selected from La, Y, Sc, Pr, Dy, Tm, Tb, Ho preferably a> 0 and where
  • x> 0 preferably also x> 0 holds. Particularly preferred may be 0.02 ⁇ a ⁇ 0.45 and 0.003 ⁇ x ⁇ 0.2.
  • Such wavelength conversion substances are described, for example, in the document US Pat. No. 7,489,073 B2, the disclosure of which is related thereto
  • the at least one wavelength conversion substance is a nitridic one
  • the at least one wavelength conversion substance can be selected from a (Sr, Ca, Ba) 2 Si 5 s-based, a (Sr, Ca, Ba) SiN 3 -based and a CaAlSiN-based wavelength conversion substance.
  • Wavelength conversion materials can preferably convert blue light to red light.
  • Wavelength conversion substance (Sr 0 , 5 x / 2 Ba, 5-x / 2) 2SisN 8 : Eu x , wherein for the Eu content 0 ⁇ x ⁇ 0.3, and preferably 0 ⁇ x ⁇ 0, l applies.
  • Wavelength conversion substance which is arranged downstream of the light-emitting semiconductor chip and the one
  • the semiconductor chip has intensity-dependent conversion efficiency. This may mean in particular that the semiconductor chip is a mixture of wavelength conversion materials with respective
  • the mixing ratio of the individual wavelength conversion substances By adjusting the mixing ratio of the individual wavelength conversion substances, the range within which the color location of the light emitted by the light-emitting semiconductor component can be adjusted can be preselected.
  • Wavelength conversion substance may comprise or be at least one or more of the aforementioned wavelength conversion substances.
  • Garnet base exhibit or be. The furthermore
  • Wavelength conversion substance may thus have (Y, Lu) (Al, Ga) G: Ce or be thereof, for example LuAlGaG: Ce or LuAlG: Ce.
  • This dye preferably converts blue
  • Wavelength conversion substance with the intensity-dependent conversion efficiency one of the above-mentioned nitridic wavelength conversion materials, in particular
  • Wavelength conversion materials can be generated by superimposing white light. Because only the red one
  • Wavelength conversion substance is an intensity-dependent
  • the color temperature of the white light can be selectively changed by a Farbortverschiebung along the connecting line between blue and red.
  • the at least one wavelength conversion substance is arranged on the semiconductor chip in a wavelength conversion layer.
  • Wavelength conversion substance can be the
  • Form wavelength conversion layer or at least be part of the wavelength conversion layer.
  • Wavelength conversion layer can, for example, in the form of a platelet, for example a ceramic
  • the Wavelength conversion layer have a matrix material, for example, a silicone, epoxy, acrylate or a
  • the light-emitting semiconductor component has a
  • Semiconductor chip has at least partially embedding potting, wherein in the potting compound of
  • Wavelength conversion substance is included.
  • the potting compound may for example comprise or be one or more of the materials mentioned in connection with the matrix material.
  • a circuit board for example, a circuit board, a lead frame, a housing and / or a ceramic support on which the
  • Wavelength conversion substance are arranged. According to another embodiment, the light
  • Semiconductor materials can be used, for example, compounds of elements made of indium, gallium,
  • the semiconductor chip may be based on a nitride compound semiconductor material.
  • the semiconductor chip may for example be based on a phosphide compound semiconductor material or an arsenide compound semiconductor material.
  • semiconductor materials in particular semiconductor chips be enabled, which can radiate or absorb light in the operation in an ultraviolet to infrared wavelength range.
  • the semiconductor chip may further comprise electrode layers for contacting the
  • an apparatus for carrying out the method described has at least one light-emitting semiconductor component with one
  • the device has a control device for controlling the operating current I and the duty cycle T.
  • the device is set up in the manner described above at a predetermined mean intensity of the primary light or a predetermined average brightness of the emitted light
  • the device has a plurality of light-emitting semiconductor components which, for example, can all be of the same design. This may make it possible with only one control device simultaneously all of the plurality of light-emitting
  • the radiated intensity can be increased while controlling the individual
  • Semiconductor chips can be done by means of the method described here with the same control device.
  • Control device a user-operable
  • Control for adjusting the color locus of the emitted light at a given intensity may in particular mean that the operating current I can be selected by the user in a targeted manner by a user in order to obtain a desired color locus of the device
  • Control device a light detecting element for
  • control device can
  • the light-detecting element may be a photodiode which comprises at least part of the secondary light, at least a part of the light source
  • FIG. 1 shows an apparatus for carrying out a method for color locus control according to a
  • Figure 2 shows different modes of operation of a method for
  • FIGS. 3 and 4 show wavelength spectra and the color loci of the light emitted by a light-emitting semiconductor component when carrying out the invention Color locus control method according to the embodiment in FIG. 2.
  • an apparatus 100 for carrying out a color locus control method is one of a light
  • Blending light 10 according to an embodiment shown.
  • the method is purely exemplary of a particular in connection with the figures 2 to 4
  • the device 100 has a semiconductor component 1, which is embodied purely by way of example in the exemplary embodiment shown as a so-called packaged light-emitting diode (LED).
  • the semiconductor component 1 has a light-emitting semiconductor chip 2, which is mounted in a housing on a leadframe and is electrically connected.
  • the semiconductor chip 2 is located in a recess of the housing and is surrounded by a wavelength conversion substance 3 in a potting compound 4, wherein the potting compound 4 embeds the semiconductor chip 2 and envelops.
  • Semiconductor chip 2 also on a support, such as a ceramic support, to be mounted and / or alternatively to Verguss 4 shown here, for example, a platelet with the wavelength conversion substance 3 or a coating with the wavelength conversion material 3 have.
  • a support such as a ceramic support
  • the light-emitting semiconductor component 1 has at least one
  • Wavelength conversion substance in particular
  • Semiconductor chip 2 in operation emitted blue primary light 11 into red secondary light 12 converts.
  • Wavelength conversion substance 3 has increasing
  • Age-stable CaAlSiN phosphors show a
  • Wavelength conversion substance LuAlGaG: Ce which has no intensity-dependent conversion efficiency.
  • Wavelength conversion substance 3 has in the shown
  • Embodiment a proportion of 2.12 wt .-% in the casting 4, while the other wavelength conversion substance has a share of 16.05 wt .-% in the casting 4.
  • the light-emitting semiconductor component emits the mixed light 10, which due to the selected
  • Wavelength conversion materials and the blue primary light in the illustrated embodiment results in whitish yellow mixed light.
  • Pulse width modulation method can be set.
  • control device 5 controls the
  • the control device 5 can, for example, furthermore have a control element 6, as indicated in FIG. 1, via which, according to the following description, the color location of the light 10 emitted by the light-emitting semiconductor component 1 can be controlled by a user.
  • the device 100 may be any device that can be used to control the operation of the device 100 .
  • a light detecting element 7 such as a photodiode, have over which a portion of the secondary light 12, the primary light 11 and / or the
  • Mixed light 10 can be measured. About one
  • Control element 8 which may be present in the control device 5, so for example, the color locus of the light emitted from the light-emitting semiconductor device 1 light 10 can take place actively.
  • Semiconductor device 1 radiated light 10 a method is performed by means of the control device 5, in which can be set at a preselected, kept constant average power or average intensity of the primary light 11 or the mixed light 10, the color location of the mixed light 10.
  • the operating current I and the duty ratio T of the semiconductor chip 2 impressed current are regulated. If, for example, the operating current I is increased, the
  • Maintaining the given average power for example, the mean intensity of the primary light 11 or the
  • the current signals S2, S3 and S4 each have a higher operating current I compared to the current signal Sl.
  • Wavelength conversion substance at low intensities multiplied by the respective value from the measurements.
  • Semiconductor device 1 operated in continuous wave mode with a current of 150 mA.
  • Semiconductor component 1 has a spectrum LI according to FIG. 3 and a color locus according to FIG. 4 in the case of FIG.
  • Color temperature of the emitted light 10 has 2997 K.
  • Semiconductor device 1 in a pulsed operation at a constant average power corresponding to the current signals S2, S3 and S4 changes the color of the radiated
  • Wavelength conversion substance 3 the change of from the
  • the color temperature has changed to 3155 K.
  • Temperature of the wavelength conversion substance 3 a larger Change in quantum efficiency can be achieved.
  • a greater adjustable range of the color locus is therefore to be expected in comparison to the simulations described.
  • Wavelength conversion materials can the
  • Wavelength conversion substance 3 also particularly preferably an Eu-activated nitrido-orthosilicate or orthosilicate as described in the general part or another of the wavelength conversion materials described therein.
  • an Eu-activated nitrido-orthosilicate can be particularly characterized by its stability and the size of the intensity-dependent conversion efficiency change
  • the color locus can be adjusted over a wide range.
  • LuAlGaG Ce also another Ce-activerter
  • color locus control can be adjusted via the composition of a mixture of multiple wavelength conversion materials.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Farbortsteuerung eines von einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement (1) abgestrahlten Lichts (10) angeben, wobeidas Licht emittierende Halbleiterbauelement (1) einen ein Primärlicht (11) emittierenden Halbleiterchip (2) und zumindest einen dem Halbleiterchip (2) nachgeordneten Wellenlängenkonversionsstoff (3) aufweist,der einen Teil des Primärlichts (11) in davon verschiedenes Sekundärlicht (12) umwandelt, so dass das Licht emittierende Halbleiterbauelement (1) Licht (10) aufweisend einen unkonvertierten Teils des Primärlichts (11) und das Sekundärlicht (12) abstrahlt, der Wellenlängenkonversionsstoff (3) eine intensitätsabhängige Konversionseffizienz aufweist,das Halbleiterbauelement (1) mittels Pulsweitenmodulation mit einem Betriebsstrom I und einem Tastverhältnis T betrieben wird, wobei I und T eingestellt werden in Abhängigkeit von einem gewünschten Farbort des abgestrahlten Lichts (10) und einer vorgegebenen mittleren Intensität des Primärlichts (11) oder in Abhängigkeit von einem gewünschten Farbort des abgestrahlten Lichts (10) und einer vorgegebenen mittleren Helligkeit des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement (1) abgestrahlten Lichts (10). Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Farbortsteuerung eines von einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichts
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 114 192.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Farbortsteuerung eines von einem Licht emittierenden
Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichts angegeben. Um den Farbort des Emissionsspektrums von auf Licht
emittierenden Dioden (LEDs) basierenden Lichtquellen zu ändern, verwendet man üblicherweise mehrere verschiedene LEDs, die Licht mit voneinander unterschiedlichem Farbort abstrahlen, das überlagert wird. Durch eine individuelle Intensitätsregelung der einzelnen LEDs kann der Farbort des gesamten von der Lichtquelle abgestrahlten Mischlichts gesteuert werden. Dazu ist es aber notwendig, mehrere
Versorgungselektroniken, beispielsweise in einer gemeinsamen Steuerungseinheit, einzusetzen, um die einzelnen LEDs mit unabhängig einstellbaren und unterschiedlichen Leistung betreiben zu können. Üblicherweise sind die
Versorgungseinheiten und damit Steuerungseinheiten mit diesen groß, teuer und fehleranfällig. Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zur Farbortsteuerung eines von einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichts anzugeben. Zumindest eine Aufgabe von weiteren Ausführungsformen ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und einen
Gegenstand mit Merkmalen gemäß dem unabhängigen
Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung gehen weiterhin auch aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei einem
Verfahren der Farbort des Lichts gesteuert, das von einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlt wird. Das Licht emittierende Halbleiterbauelement weist
insbesondere einen ein Primärlicht emittierenden
Halbleiterchip auf, dem zumindest ein
Wellenlängenkonversionsstoff nachgeordnet ist, so dass der Wellenlängenkonversionsstoff vom Primärlicht des
Halbleiterchips beleuchtet wird. Der zumindest eine
Wellenlängenkonversionsstoff wandelt einen Teil des vom
Halbleiterchip emittierten Primärlichts in Sekundärlicht um, das verschieden vom Primärlicht ist. Beispielsweise kann der Wellenlängenkonversionsstoff kurzwelliges Primärlicht in längerwelliges Sekundärlicht umwandeln. Beispielsweise kann das Primärlicht einen blauen bis grünen Spektralbereich aufweisen, bevorzugt einen blauen Spektralbereich, während das Sekundärlicht einen grünen bis roten Spektralbereich, also beispielsweise grünes Licht, gelbes Licht und/oder rotes Licht, aufweist.
Das vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlte Licht, im Folgenden auch als Mischlicht bezeichnet, wird durch eine Überlagerung des unkonvertierten Teils des Primärlichts und des vom Wellenlängenkonversionsstoff erzeugten Sekundärlichts gebildet. Der Farbort des
Mischlichts, das vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlt wird, ergibt sich aus den relativen Anteilen des abgestrahlten unkonvertierten Primärlichts und des
abgestrahlten Sekundärlichts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff eine intensitätsabhängige
Konversionseffizienz, die hier und im Folgenden auch als
Quanteneffizienz QE(I) bezeichnet wird, auf. Das bedeutet mit anderen Worten, dass sich der relative Anteil des auf den Wellenlängenkonversionsstoff eingestrahlten Primärlichts, der vom zumindest einen Wellenlängenkonversionsstoff in
Sekundärlicht konvertiert wird, in Abhängigkeit von der
Intensität des Primärlichts ändert. Insbesondere kann der Wellenlängenkonversionsstoff derart ausgebildet sein, dass die Konversionseffizienz bzw. Quanteneffizienz mit steigender Lichtintensität des Halbleiterchips, also mit steigender Intensität des Primärlichts, abnimmt.
Aufgrund der intensitätsabhängigen Quanteneffizienz ist es bei dem hier beschriebenen Verfahren möglich, im Mischlicht das Verhältnis zwischen dem Teil des Primärlichts, der unkonvertiert abgestrahlt wird, und dem vom
Wellenlängenkonversionsstoff abgestrahlten Sekundärlicht durch Steuerung der Intensität des Primärlichts zu ändern bzw. einzustellen. Dadurch kann sich in Abhängigkeit von der Intensität des Primärlichts der Farbort des vom Licht
emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten Mischlichts ändern . Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Licht
emittierende Halbleiterchip mittels Pulsweitenmodulation betrieben. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der
Betriebsstrom I, der zur Erzeugung des Primärlichts im
Halbleiterchip dem Halbleiterchip aufgeprägt wird,
beispielsweise in Form eines Rechtecksignals oder eines zumindest im Wesentlichen rechteckigen Signals über die
Betriebszeit regelmäßig ein- und ausgeschaltet wird. Das Verhältnis zwischen An- und Ausschaltzeit des Betriebsstroms während des Betriebs wird als Tastverhältnis T oder "duty cycle" bezeichnet. Beträgt die Anschaltzeit 100% der
Betriebszeit, also T=l, so bedeutet dies, dass das Licht emittierende Halbleiterbauelement im so genannten
Dauerstrich-, Gleichstrom- oder DC-Betrieb betrieben wird.
Die Länge einer Periode umfassend eine Anschaltzeit und eine Ausschaltzeit und damit auch die Frequenz, mit der die
Anschaltzeiten aufeinander folgen, mit anderen Worten die Pulsfrequenz, werden beim hier beschriebenen Verfahren vorzugsweise derart gewählt, dass für das menschliche Auge aufgrund dessen Trägheit ein gleichmäßiger Leuchteindruck entsteht .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Betriebsstrom I während der Anschaltzeit, also die Amplitude der einzelnen Strompulse, entsprechend dem gewünschten Farbort des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten
Mischlichts gesteuert. Weist der zumindest eine
Wellenlängenkonversionsstoff beispielsweise eine
Konversionseffizienz auf, die mit steigender Intensität des
Primärlichts abnimmt, kann der Betriebsstrom I erhöht werden, um den relativen Anteil des unkonvertierten Primärlichts des Mischlichts zu erhöhen bzw. den relativen Anteil des
Sekundärlichts des Mischlichts zu verringern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Tastverhältnis T in Abhängigkeit vom gewählten Betriebsstrom I derart eingestellt, dass die vom Licht emittierenden Halbleiterchip im Zeitmittel abgestrahlte Intensität einen vorgewählten konstanten Wert aufweist. Beispielsweise kann der konstante Wert durch die gewünschte abgestrahlte Intensität des
Primärlichts im Dauerstrichbetrieb, also für ein
Tastverhältnis T=l, vorgegeben sein. Wird die abgestrahlte Intensität des Primärlichts zur Änderung des Farborts des Mischlichts durch Erhöhung des Betriebstroms I erhöht, wird das Tastverhältnis T entsprechend verringert, um die im
Zeitmittel abgestrahlte Intensität des Primärlichts konstant zu halten. Bei reinen Rechteckspulsen kann insbesondere das Produkt T-I konstant gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Tastverhältnis T in Abhängigkeit vom gewählten Betriebsstrom I derart eingestellt, dass die vom Licht emittierenden
Halbleiterbauelement im Zeitmittel abgestrahlte Intensität des Mischlichts, also die Helligkeit des von Licht
emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichts, einen vorgewählten konstanten Wert aufweist, also eine vorgewählte mittlere Helligkeit. Das kann insbesondere bedeuten, dass mit steigendem Betriebstrom I und entsprechend verringert gewähltem Tastverhältnis T das Produkt T-I einen vom Betriebstrom I abhängigen veränderlichen Wert annehmen kann, durch den beispielsweise nicht-lineare
intensitätsabhängige Veränderungen der Konversionseffizienz ausgeglichen werden können. Mit anderen Worten können
beispielsweise im Vergleich zu den Werten von I und T, die beispielsweise bei reinen Rechteckspulsen für ein konstantes Produkt T-I zu wählen sind, mit steigendem Betriebsstrom I der Betriebstrom I und/oder das Tastverhältnis T um einen Korrekturwert dl bzw. dT angepasst werden, um eine konstante Helligkeit des Mischlichts zu erhalten.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es somit möglich, über das Tastverhältnis T und damit die Pulsbreite der
Strompulse zusammen mit einer gleichzeitigen Regelung des Betriebstroms I und damit der Pulshöhe unabhängig vom durch den Betriebstrom I während eines Strompulses einstellbaren Farbort des Mischlichts eine gleich bleibende, vorgewählte mittlere Intensität des Primärlichts oder eine gleich
bleibende, vorgewählte mittlere Intensität der von einem Betrachter wahrgenommenen Helligkeit des vom Licht
emittierenden Halbleiterbauelements abgestrahlten Mischlichts zu bewirken.
Mit Vorteil wird beim hier beschriebenen Verfahren somit ausgenutzt, dass der Wellenlängenkonversionsstoff mit der intensitätsabhängigen Konversionseffizienz auf Änderungen des während eines Strompulses aufgeprägten Betriebsstroms mit einer Änderung des Anteils des Primärlichts reagiert, der in Sekundärlicht konvertiert wird.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren kann somit der Farbort des abgestrahlten Lichts eines einzelnen Halbleiterchips mit zumindest einem Wellenlängenkonversionsstoff gezielt geändert werden, ohne die abgestrahlte Intensität des Primärlichts oder des Mischlichts zu verändern. Somit kann auch der
Farbort des abgestrahlten Lichts beispielsweise eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements mit einem einzelnen Licht emittierenden Halbleiterchip mit einem Wellenlängenkonversionsstoff oder mit lediglich gleichen Halbleiterchips mit Wellenlängenkonversionsstoff gezielt geändert werden. Der hohe Aufwand der Farbortsteuerung von bisher bekannten LED-basierten Beleuchtungssystemen, die den Einsatz mehrerer verschiedener LEDs mit unterschiedlichem Farbort und damit unterschiedlicher
Wellenlängenkonversionsstoffmischung und/oder
unterschiedlicher Halbleiterchip-Wellenlängen erfordern, die über jeweils angepasste unterschiedliche
Versorgungselektroniken betrieben werden, kann dadurch vermieden werden. Insbesondere bietet das hier beschriebene Verfahren die Möglichkeit, den Farbort eines einzelnen Licht emittierenden Halbleiterchips aktiv zu regeln. Bisher war dies nicht möglich, da es nicht bekannt war, die Emission eines gegebenen Wellenlängenkonversionsstoffs oder einer Wellenlängenkonversionsstoffsmischung gezielt zu ändern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff ausgewählt aus einem nitridischen Wellenlängenkonversionsstoff, einem Nitrido- Orthosilikat , Chlorosilikat , Orthosilikat , Oxinitrid und einem Sialon.
Insbesondere kann der Wellenlängenkonversionsstoff ausgewählt sein aus einem Eu-dotierten Orthosilikat und besonders bevorzugt aus einem Eu-dotierten Nitrido-Orthosilikat .
Derartige Wellenlängenkonversionsstoffe können bevorzugt blaues Licht in grünes bis gelbes Licht umwandeln. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff einen Eu-dotierten
Wellenlängenkonversionsstoff auf. Insbesondere bei Eu- aktivierten Wellenlängenkonversionsstoffen wurde eine
intensitätsabhängige Konversionseffizienz festgestellt.
Der Wellenlängenkonversionsstoff kann insbesondere einen Wellenlängenkonversionsstoff mit der Summenformel
AE2-x-aRExEuaSi04-xNx aufweisen, wobei AE ein Alkali- oder
Erdalkalimetall bezeichnet, insbesondere eines oder mehrere ausgewählt aus Sr, Ba, Ca, Mg, und RE ein Metall der Seltenen Erden, insbesondere eines oder mehrere ausgewählt aus La, Y, Sc, Pr, Dy, Tm, Tb, Ho wobei bevorzugt a>0 und wobei
bevorzugt auch x>0 gilt. Besonders bevorzugt kann 0,02<a^0,45 und 0,003^x^0,2 sein. Derartige Wellenlängenkonversionsstoffe sind beispielsweise in der Druckschrift US 7,489,073 B2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich
vollumfänglich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Besonders bevorzugt kann als Metall der Seltenen Erden La im Wellenlängenkonversionsstoff mit der oben angegeben
Summenformel vorhanden sein. Es hat sich gezeigt, dass derartige Wellenlängenkonversionsstoffe eine ausgeprägte intensitätsabhängige Quanteneffizienz aufweisen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff ein nitridischer
Wellenlängenkonversionsstoff. Insbesondere kann der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff ausgewählt sein aus einem ( Sr, Ca, Ba) 2Si5 s-basierten, einem ( Sr, Ca, Ba) SiN3-basierten und einem CaAlSiN-basierten Wellenlängenkonversionsstoff.
Derartige, insbesondere Eu-dotierte, nitridische
Wellenlängenkonversionsstoffe können bevorzugt blaues Licht in rotes Licht umwandeln. In einer weiteren Ausführungsform ist der nitridische
Wellenlängenkonversionsstoff (Sr0,5-x/2Bao,5-x/2) 2SisN8 :Eux, wobei für den Eu-Anteil 0<x^0,3 und bevorzugt 0<x^0,l gilt. Als besonders vorteilhaft hat sich insbesondere eine Eu-Dotierung mit x=0,04 erwiesen, jedoch sind je nach gewünschter
Ausprägung des Effekts der intensitätsabhängigen
Quanteneffizienz auch andere Dotierungsgehalte möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Licht
emittierende Halbleiterbauelement zumindest einen weiteren
Wellenlängenkonversionsstoff auf, der dem Licht emittierenden Halbleiterchip nachgeordnet ist und der eine
intensitätsabhängige Konversionseffizienz aufweist. Das kann insbesondere bedeuten, dass dem Halbleiterchip eine Mischung von Wellenlängenkonversionsstoffen mit jeweiliger
intensitätsabhängiger Konversionseffizienz nachgeordnet ist. Durch eine Einstellung des Mischungsverhältnisses der einzelnen Wellenlängenkonversionsstoffe kann der Bereich, innerhalb dessen der Farbort des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelements abgestrahlten Lichts eingestellt werden kann, vorgewählt werden. Der weitere
Wellenlängenkonversionsstoff kann dabei zumindest einen oder mehrere der vorgenannten Wellenlängenkonversionsstoffe aufweisen oder daraus sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Licht
emittierende Halbleiterbauelement zumindest einen weiteren Wellenlängenkonversionsstoff auf, der dem Licht emittierenden Halbleiterchip nachgeordnet ist und der keine oder im
Wesentlichen keine intensitätsabhängige Konversionseffizienz aufweist. Beispielsweise kann der weitere
Wellenlängenkonversionsstoff einen
Wellenlängenkonversionsstoff auf Grantbasis, insbesondere einen Ce-aktivierten Wellenlängenkonversionsstoff auf
Granatbasis, aufweisen oder daraus sein. Der weitere
Wellenlängenkonversionsstoff kann somit (Y,Lu) (Al,Ga)G:Ce aufweisen oder daraus sein, beispielsweise LuAlGaG:Ce oder LuAlG:Ce. Dieser Farbstoff konvertiert bevorzugt blaues
Primärlicht in grünes Sekundärlicht.
Beispielsweise kann der wenigstens eine
Wellenlängenkonversionsstoff mit der intensitätsabhängigen Konversionseffizienz einen der oben genannten nitridischen Wellenlängenkonversionsstoffe, insbesondere
( Sr, Ca, Ba) 2S15 8 : Eu oder CaAlSiN3:Eu aufweisen, die beide rotes Sekundärlicht emittieren. Mit einem blaues Primärlicht emittierenden Halbleiterchip und dem genannten
intensitätsunabhängigen grünen Wellenlängenkonversionsstoff sowie einem der beiden genannten roten
Wellenlängenkonversionsstoffe kann durch Überlagerung weißes Licht erzeugt werden. Dadurch, dass nur der rote
Wellenlängenkonversionsstoff eine intensitätsabhängige
Konversionseffizienz aufweist, kann die Farbtemperatur des weißen Lichts gezielt durch eine Farbortverschiebung entlang der Verbindungslinie zwischen Blau und Rot verändert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff auf dem Halbleiterchip in einer Wellenlängenkonversionsschicht angeordnet. Der
Wellenlängenkonversionsstoff kann dabei die
Wellenlängenkonversionsschicht bilden oder zumindest ein Teil der Wellenlängenkonversionsschicht sein. Die
Wellenlängenkonversionsschicht kann beispielsweise in Form eines Plättchens, beispielsweise eines keramischen
Plättchens, vorgefertigt und auf dem Halbleiterchip
aufgebracht sein. Weiterhin kann die Wellenlängenkonversionsschicht ein Matrixmaterial aufweisen, beispielsweise ein Silikon, Epoxid, Acrylat oder eine
Mischung daraus, in dem der Wellenlängenkonversionsstoff eingebettet ist. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass das Licht emittierende Halbleiterbauelement einen den
Halbleiterchip zumindest teilweise einbettenden Verguss aufweist, wobei in der Vergussmasse der
Wellenlängenkonversionsstoff enthalten ist. Die Vergussmasse kann beispielsweise eines oder mehrere der in Verbindung mit dem Matrixmaterial genannten Materialien aufweisen oder daraus sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Licht
emittierende Halbleiterbauelement einen Träger,
beispielsweise eine Leiterplatte, einen Leiterrahmen, ein Gehäuse und/oder einen Keramikträger auf, auf dem der
Halbleiterchip und der zumindest eine
Wellenlängenkonversionsstoff angeordnet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Licht
emittierende Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge auf, die auf einem Halbleitermaterial basiert, das zumindest teilweise eine Elektrolumineszenz aufweist. Als
Halbleitermaterialien können beispielsweise Verbindungen aus Elementen verwendet werden, die aus Indium, Gallium,
Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silizium, Kohlenstoff oder Kombinationen daraus sein können.
Beispielsweise kann der Halbleiterchip auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial basieren. Weiterhin kann der Halbleiterchip beispielsweise auf einem Phosphid- Verbindungshalbleitermaterial oder einem Arsenid- Verbindungshalbleitermaterial basieren. Mittels derartiger Halbleitermaterialien können insbesondere Halbleiterchips ermöglicht werden, die im Betrieb Licht in einem ultravioletten bis infraroten Wellenlängenbereich abstrahlen oder absorbieren können. Der Halbleiterchip kann weiterhin Elektrodenschichten zur Kontaktierung der
Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Ausgestaltungen Licht emittierender Halbleiterchips sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht weiter ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zumindest ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einem ein
Primärlicht emittierenden Halbleiterchip und zumindest einem dem Halbleiterchip nachgeordneten
Wellenlängenkonversionsstoff mit einer intensitätsabhängigen Konversionseffizienz auf. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Betriebsstroms I und des Tastverhältnisses T auf. Die Vorrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, in der oben beschriebenen Weise bei einer vorgegebenen mittleren Intensität des Primärlichts oder einer vorgegebenen mittleren Helligkeit des abgestrahlten
Mischlichts das Tastverhältnis T und den Betriebsstrom I während der Strompulse derart zu regeln, dass ein gewünschter Farbort des abgestrahlten Lichts erreicht wird. Die Merkmale und Ausführungsformen betreffend das Verfahren zum Betrieb des Licht emittierenden Halbleiterbauelements gelten auch für die Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens und umgekehrt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen auf, die beispielsweise alle gleich ausgebildet sein können. Dadurch kann es möglich sein, mit nur einer Steuervorrichtung gleichzeitig alle der Mehrzahl von Licht emittierenden
Halbleiterbauelemente zu steuern und so auf eine aufwändige Versorgungselektronik, wie sie aus dem Stand der Technik für verschiedenfarbige LEDs notwendig ist, zu vermeiden.
Gemäß einer weitern Ausführungsform weist das Licht
emittierenden Halbleiterbauelement eine Mehrzahl von
Halbleiterchips auf, die jeweils gleich ausgebildet sind und denen jeweils der gleiche zumindest eine
Wellenlängenkonversionsstoff nachgeordnet ist. Durch die
Mehrzahl von Halbleiterchips kann die abgestrahlte Intensität erhöht werden, während die Steuerung der einzelnen
Halbleiterchips mittels des hier beschriebenen Verfahrens mit derselben Steuervorrichtung erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Steuervorrichtung ein durch einen Benutzer bedienbares
Steuerelement zur Einstellung des Farborts des abgestrahlten Lichts bei einer vorgegebenen Intensität auf. Das kann insbesondere bedeuten, dass durch das Steuerelement von einem Benutzer gezielt der Betriebsstroms I gewählt werden kann, um einen gewünschten Farbort des von der Vorrichtung
abgestrahlten Lichts einzustellen, während die
Steuervorrichtung entsprechend das Tastverhältnis T der
Strompulse anpasst, um die abgestrahlte Intensität gleich zu halten .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Steuervorrichtung ein Licht detektierendes Element zur
Messung zumindest eines Teils des abgestrahlten Mischlichts auf. Weiterhin kann die Steuervorrichtung ein
Regelungselement aufweisen, das den Farbort des abgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von einem Messwert des Licht detektierenden Elements regelt. Beispielsweise kann das Licht detektierende Element eine Fotodiode sein, die zumindest einen Teil des Sekundärlichts, zumindest einen Teil des
Sekundärlichts und des Primärlichts oder zumindest einen Teil des vom Halbleiterbauelement insgesamt abgestrahlten
Mischlichts messen kann. Dadurch kann es möglich sein, beispielsweise eine aktive Kontrolle bzw. Regelung des
Farborts auf einen gewünschten Farbort bei einer vorgegebenen Intensität zu erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein
Wellenlängenkonversionsstoff mit einer intensitätsabhängigen Konversionseffizienz in einem Verfahren oder in einer
Vorrichtung gemäß der vorherigen Beschreibung verwendet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Farbortsteuerung gemäß einem
Ausführungsbeispiel ,
Figur 2 verschiedene Betriebsmodi eines Verfahrens zur
Farbortsteuerung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel und
Figuren 3 und 4 Wellenlängenspektren und den Farborte des von einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichts bei Durchführung des Verfahrens zur Farbortsteuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 2.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleich oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. In Figur 1 ist eine Vorrichtung 100 zur Durchführung eines Verfahrens zur Farbortsteuerung eines von einem Licht
emittierenden Halbleiterbauelement 1 abgestrahlten
Mischlichts 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Verfahren wird in Verbindung mit den Figuren 2 bis 4 rein exemplarisch für einen bestimmten
Wellenlängenkonversionsstoff beschrieben. Weder die
Vorrichtung noch das hier beschriebene Verfahren sind auf diesen Wellenlängenkonversionsstoff beschränkt, vielmehr kann das Verfahren auch mit anderen, beispielsweise den im
allgemeinen Teil beschriebenen Wellenlängenkonversionsstoffen durchgeführt werden, die eine intensitätsabhängige
Konversionseffizienz aufweisen.
Die Vorrichtung 100 weist ein Halbleiterbauelement 1 auf, das rein beispielhaft im gezeigten Ausführungsbeispiel als so genannte gehäuste Licht emittierende Diode (LED) ausgeführt ist. Das Halbleiterbauelement 1 weist dazu einen Licht emittierenden Halbleiterchip 2 auf, der in einem Gehäuse auf einem Leiterrahmen montiert und elektrisch angeschlossen ist. Der Halbleiterchip 2 befindet sich dabei in einer Vertiefung des Gehäuses und ist von einem Wellenlängenkonversionsstoff 3 in einer Vergussmasse 4 umgeben, wobei die Vergussmasse 4 den Halbleiterchip 2 einbettet und umhüllt. Derartige Elemente sind dem Fachmann bekannt, sodass die einzelnen Merkmale betreffend das Gehäuse, den Halbleiterchip und den Verguss, hier nicht weiter ausgeführt werden. Alternativ zum gezeigten Licht emittierenden Halbleiterbauelement 1 kann der
Halbleiterchip 2 auch auf einem Träger, beispielsweise einem Keramikträger, montiert sein und/oder alternativ zum hier gezeigten Verguss 4 beispielsweise ein Plättchen mit dem Wellenlängenkonversionsstoff 3 oder eine Beschichtung mit dem Wellenlängenkonversionsstoff 3 aufweisen.
Das Licht emittierende Halbleiterbauelement 1 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel als zumindest einen
Wellenlängenkonversionsstoff 3 einen nitridischen
Wellenlängenkonversionsstoff, insbesondere
( Sr, Ca, Ba) 2S15 8 : Eu, auf, der einen Teil des vom
Halbleiterchip 2 im Betrieb emittierten blauen Primärlichts 11 in rotes Sekundärlicht 12 umwandelt. Der
Wellenlängenkonversionsstoff 3 weist mit steigender
Intensität des Primärlichts 11 eine sinkende
Konversionseffizienz auf. Beispielsweise auch
alterungsstabile CaAlSiN-Leuchtstoffe zeigen eine
intensitätsabhängige Konversionseffizienz und eignen sich besonders bevorzugt zur Farbortkontrolle über eine
Pulsbreitensteuerung gemäß dem hier beschriebenen Verfahren.
Zusätzlich weist das Licht emittierende Halbleiterbauelement im gezeigten Ausführungsbeispiel als weiteren
Wellenlängenkonversionsstoff LuAlGaG:Ce auf, der keine intensitätsabhängige Konversionseffizienz aufweist. Der
Wellenlängenkonversionsstoff 3 weist im gezeigten
Ausführungsbeispiel einen Anteil von 2,12 Gew.-% im Verguss 4 auf, während der weitere Wellenlängenkonversionsstoff einen Anteil von 16,05 Gew.-% im Verguss 4 aufweist. Durch Überlagerung des Primärlichts 11 und des Sekundärlichts 12 strahlt das Licht emittierende Halbleiterbauelement das Mischlicht 10 ab, das aufgrund der gewählten
Wellenlängenkonversionsstoffe und des blauen Primärlichts im gezeigten Ausführungsbeispiel weißlich gelbes Mischlicht ergibt .
Über eine Steuervorrichtung 5 kann ein dem Halbleiterchip 2 aufgeprägte Betriebsstrom in einem
Pulsweitenmodulationsverfahren eingestellt werden.
Insbesondere steuert die Steuervorrichtung 5 das
Tastverhältnis T sowie den Betriebsstrom I des dem
Halbleiterchip 2 aufgeprägten gepulsten Stroms.
Die Steuervorrichtung 5 kann beispielsweise weiterhin ein Steuerelement 6 aufweisen, wie in Figur 1 angedeutet ist, über das gemäß der nachfolgenden Beschreibung der Farbort des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement 1 abgestrahlten Lichts 10 von einem Benutzer gesteuert werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 100
beispielsweise auch ein Licht detektierendes Element 7, beispielsweise eine Fotodiode, aufweisen, über die ein Teil des Sekundärlichts 12, des Primärlichts 11 und/oder des
Mischlichts 10 gemessen werden kann. Über ein
Regelungselement 8, das in der Steuervorrichtung 5 vorhanden sein kann, kann so beispielsweise aktiv der Farbort des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement 1 abgestrahlten Lichts 10 erfolgen.
Zur Steuerung des Farborts des vom Licht emittierenden
Halbleiterbauelement 1 abgestrahlten Lichts 10 wird mittels der Steuervorrichtung 5 ein Verfahren durchgeführt, bei dem bei vorgewählter, konstant gehaltener mittlerer Leistung bzw. mittlerer Intensität des Primärlichts 11 oder des Mischlichts 10 der Farbort des Mischlichts 10 eingestellt werden kann. Dazu werden der Betriebstrom I und das Tastverhältnis T des dem Halbleiterchip 2 aufgeprägten Stroms geregelt. Wird beispielsweise der Betriebsstrom I erhöht, muss zur
Beibehaltung der gegebenen mittleren Leistung, beispielsweise der mittleren Intensität des Primärlichts 11 oder der
mittleren Helligkeit des abgestrahlten Lichts 10, das
Tastverhältnis T gleichzeitig reduziert werden. Rein
beispielhaft wird das Verfahren mithilfe der Figuren 2 bis 4 näher erläutert.
In Figur 2 sind hierzu rein beispielhaft vier Stromsignale Sl, S2, S3 und S4 für vier verschiedene Betriebsmodi der
Vorrichtung 100 bzw. des Verfahrens gezeigt. In Figur 3 sind die Emissionsspektren des vom Licht emittierenden
Halbleiterbauelement 1 abgestrahlten Lichts 10 für die
Betriebsmodi in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 800 nm gezeigt, in Figur 4 die entsprechenden Farborte des Lichts 10.
Das Stromsignal Sl stellt den Betrieb des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 1 mit einem maximalen Tastverhältnis T=l dar, das einem Dauerstrich- bzw. Gleichstrombetrieb entspricht. Die Stromsignale S2, S3 und S4 weisen jeweils einen im Vergleich zum Stromsignal Sl höheren Betriebstrom I auf. Damit die mittlere Leistung bzw. Intensität der
Stromsignale S2, S3 und S4 derjenigen des Stromsignals Sl entspricht, wird bei den Stromsignalen S2, S3 und S4
entsprechend das Tastverhältnis T verringert, so dass mit steigender Pulshöhe die Pulsbreite kleiner wird. Zur Verdeutlichung des hier beschriebenen Verfahrens wurde für den vorab genannten Wellenlängenkonversionsstoff 3 die intensitätsabhängige Quanteneffizienz QE(I) bzw. die
intensitätsabhängige Konversionseffizienz bei verschiedenen Betriebsströmen des Halbleiterchips 2 gemessen und im Falle der Stromsignale S3 und S4 extrapoliert. Zur Messung der Quanteneffizienz des angegebenen exemplarischen
Wellenlängenkonversionsstoffs wurde als Licht emittierendes Halbleiterbauelement 1 eine LED des Typs Golden-Dragon der Firma Osram Opto Semiconductors GmbH mit dem oben
beschriebenen Wellenlängenkonversionsstoff im Verguss verwendet. Zur Simulation der effektiven Quanteneffizienz bzw. intensitätsabhängigen Konversionseffizienz wurde die Quanteneffizienz des verwendeten
Wellenlängenkonversionsstoffs bei niedrigen Intensitäten mit dem jeweiligen Wert aus den Messungen multipliziert. Aus den ermittelten Daten der intensitätsabhängigen
Konversionseffizienz wurden für die gezeigte Vorrichtung 100 mittels eines Simulationsprogramms verschiedene
Betriebsbedingungen simuliert.
Im Falle des Stromsignals Sl mit dem Tastverhältnis T=l wurde der Halbleiterchip 2 des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 1 im Dauerstrichbetrieb mit einem Strom von 150 mA betrieben. Das Licht emittierende
Halbleiterbauelement 1 weist ein Spektrum LI gemäß der Figur 3 und einen Farbort gemäß der Figur 4 bei den
Farbortkoordinaten cx = 0,437 und cy = 0,404 auf. Die
Farbtemperatur des abgestrahlten Lichts 10 weist 2997 K auf.
Durch den Betrieb des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 1 in einem gepulsten Betrieb bei konstanter mittlerer Leistung entsprechend der Stromsignale S2, S3 und S4 ändert sich der Farbort des abgestrahlten
Lichts 10.
Im Falle des Stromsignals S2 mit einem Betriebsstrom von 750 mA und einer entsprechenden Pulsbreite von nur noch 20 %, also T=0,2, beträgt beim genannten
Wellenlängenkonversionsstoff 3 die Änderung der aus der
Konversionsrate abgeleitete Quanteneffizienz etwa 83 % des Ausgangswerts, d.h. der Quanteneffizienz beim Stromsignal Sl. Das abgestrahlte Mischlicht 10 weist ein Spektrum L2 gemäß der Figur 3 und einen Farbort cx = 0,428 und cy = 0,405 gemäß der Figur 4 auf. Die Farbtemperatur hat sich dabei auf 3155 K geändert . Durch weitere Erhöhung des Stroms auf 2000 mA beträgt die
Pulsbreite bei gleicher mittlerer Leistung noch 7,5 %, also T=0,075, die Quanteneffizienz liegt, ermittelt durch
Extrapolation, bei 78,9 % des Ausgangswerts. Das abgestrahlte Licht 10 weist das in Figur 3 gezeigte Spektrum L3 auf sowie einen Farbort cx = 0,425 und cy = 0,405 bei einer
Farbtemperatur von 3214 K auf.
Als niedrigster Wert für die Quanteneffizienz wurden 65 % gemessen. Hierzu wurde für das Stromsignal S4 ein
Betriebsstrom von 4000 mA und eine Pulsbreite von etwa 3 %, also T=0,03, extrapoliert. Die Simulation hat ergeben, dass hierdurch das Spektrum L4 gemäß Figur 3 für das abgestrahlte Licht 10 mit einem Farbort F4 mit den Farbortkoordinaten cx = 0,413 und cy = 0,406 und einer Farbtemperatur (CCT) von 3455 K erreicht wird.
Weiterhin wurde festgestellt, dass bei einer erhöhten
Temperatur des Wellenlängenkonversionsstoffs 3 eine größere Änderung der Quanteneffizienz erreicht werden kann. Durch Erhöhung der Temperatur des Wellenlängenkonversionsstoffes 3, beispielsweise während eines längeren Betriebs des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 1, ist also mit einem größeren einstellbaren Bereich des Farborts im Vergleich zu den beschriebenen Simulationen zu rechnen.
Alternativ zu den beschriebenen roten
Wellenlängenkonversionsstoffen kann der
Wellenlängenkonversionsstoff 3 auch besonders bevorzugt ein Eu-aktiviertes Nitrido-Orthosilikat oder Orthosilikat gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil oder einen anderen der dort beschriebenen Wellenlängenkonversionsstoffe aufweisen. Insbesondere ein Eu-aktiviertes Nitrido-Orthosilikat kann sich besonders durch seine Stabilität und die Größe der intensitätsabhängigen Konversionseffizienzänderung
auszeichnen. Da es sich hier um einen sehr kurzwellig
emittierenden Wellenlängenkonversionsstoff handelt, lässt sich der Farbort über einen weiten Bereich einstellen.
Weiterhin kann anstelle des in den Ausführungsbeispielen beschriebenen weiteren Wellenlängenkonversionsstoffs
LuAlGaG:Ce auch ein anderer Ce-aktiverter
Wellenlängenkonversionsstoff auf Granatbasis wie im
allgemeinen Teil beschrieben als Wellenlängenkonversionsstoff ohne intensitätsabhängige Quanteneffizienz verwendet werden.
Zusätzlich kann die Farbortsteuerung über die Zusammensetzung einer Mischung von mehreren Wellenlängenkonversionsstoffen eingestellt werden.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren und der hier
beschriebenen Vorrichtung ist es somit möglich, unabhängig von der Intensität des Primärlicht des Halbleiterchips oder der Intensität des abgestrahlten Mischlichts den Farbort des Mischlichts mittels Pulsbreitenmodulation einzustellen.
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. Verfahren zur Farbortsteuerung eines von einem Licht
emittierenden Halbleiterbauelement (1) abgestrahlten Lichts (10), wobei
- das Licht emittierende Halbleiterbauelement (1) einen ein
Primärlicht (11) emittierenden Halbleiterchip (2) und zumindest einen dem Halbleiterchip (2) nachgeordneten Wellenlängenkonversionsstoff (3) aufweist,
- der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) einen Teil des Primärlichts (11) in davon verschiedenes
Sekundärlicht (12) umwandelt, so dass das Licht
emittierende Halbleiterbauelement (1) Licht (10) aufweisend einen unkonvertierten Teils des Primärlichts (11) und das Sekundärlicht (12) abstrahlt,
- der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) eine intensitätsabhängige Konversionseffizienz aufweist,
- das Licht emittierende Halbleiterbauelement (1) mittels
Pulsweitenmodulation mit einem Betriebsstrom I und einem Tastverhältnis T betrieben wird und
- der Betriebstrom I und das Tastverhältnis T eingestellt werden in Abhängigkeit von einem gewünschten Farbort des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement (1) abgestrahlten Lichts (10) und einer vorgegebenen
mittleren Intensität des Primärlichts (11) oder in
Abhängigkeit von einem gewünschten Farbort des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement (1) abgestrahlten Lichts (10) und einer vorgegebenen mittleren Helligkeit des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement (1) abgestrahlten Lichts (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) ausgewählt ist aus: nitridischer Wellenlängenkonversionsstoff, Nitrido- Orthosilikat , Chlorosilikat , Orthosilikat , Oxinitrid, Sialon .
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) einen Eu-dotierten ellenlängenkonversionsstoff aufweist .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) ein nitridischer Wellenlängenkonversionsstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) ausgewählt ist aus einem ( Sr, Ca, Ba) 2SisN8-basierten, einem ( Sr, Ca, Ba) S1N3- basierten und einem CaAlSiN-basierten
Wellenlängenkonversionsstoff .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) ausgewählt ist aus einem Eu-dotierten Orthosilikat und einem Eu-dotierten Nitrido-Orthosilikat .
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zumindest eine Wellenlängenkonversionsstoff (3) ausgewählt ist aus einem Orthosilikat mit der Summenformel
AE2-x-aRExEuaSi04-xNx, mit AE ausgewählt aus einem oder mehreren von Sr, Ba, Ca, Mg, mit RE ausgewählt aus einem oder mehreren von La, Y, Sc, Pr, Dy, Tm, Tb, Ho und mit a>0 und x>0.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Licht emittierende Halbleiterchip (2) blaues Primärlicht (11) abstrahlt und das Sekundärlicht (12) in einem roten bis grünen Spektralbereich liegt.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Licht emittierende Halbleiterbauelement (1)
zumindest einen weiteren Wellenlängenkonversionsstoff aufweist, der eine intensitätsabhängige
Konversionseffizienz aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Licht emittierende Halbleiterbauelement (1)
zumindest einen weiteren Wellenlängenkonversionsstoff aufweist, der keine intensitätsabhängige
Konversionseffizienz aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der weitere
Wellenlängenkonversionsstoff ein Ce-aktivierter
Wellenlängenkonversionsstoff auf Granatbasis,
insbesondere LuAlGaG:Ce, ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend zumindest ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement (1) mit einem ein Primärlicht (11) emittierenden Halbleiterchip (2) und zumindest einem dem Halbleiterchip (2) nachgeordneten Wellenlängenkonversionsstoff (3) mit einer
intensitätsabhängige Konversionseffizienz, und einer Steuervorrichtung (5) zum Betrieb des Licht
emittierenden Halbleiterchips (2) durch Steuerung des Betriebsstroms und des Tastverhältnisses.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die
Steuervorrichtung (5) ein durch einen Benutzer bedienbares Steuerelement (6) zur Einstellung des
Farborts des abgestrahlten Lichts (10) bei einer
vorgegebenen Intensität aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die
Steuervorrichtung (5) ein Licht detektierendes Element (7) zur Detektion zumindest eines Teils des
abgestrahlten Lichts (10, 11, 12) aufweist und wobei die Steuervorrichtung (5) ein Regelungselement (8) aufweist, das den Farbort des abgestrahlten Lichts (10) in
Abhängigkeit von einem Messwert des Licht detektierenden Elements (7) regelt.
15. Verwendung eines Wellenlängenkonversionsstoffs (3) mit einer intensitätsabhängigen Konversionseffizienz in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14.
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