WO2016083448A1 - Optoelektronischer halbleiterchip, verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchips, konversionselement und leuchtstoff für ein konversionselement - Google Patents

Optoelektronischer halbleiterchip, verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchips, konversionselement und leuchtstoff für ein konversionselement Download PDF

Info

Publication number
WO2016083448A1
WO2016083448A1 PCT/EP2015/077637 EP2015077637W WO2016083448A1 WO 2016083448 A1 WO2016083448 A1 WO 2016083448A1 EP 2015077637 W EP2015077637 W EP 2015077637W WO 2016083448 A1 WO2016083448 A1 WO 2016083448A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wavelength range
radiation
wavelength
conversion
semiconductor chip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/077637
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reiner Windisch
Jörg Erich SORG
Ralph Wirth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
Priority to DE112015005366.2T priority Critical patent/DE112015005366A5/de
Priority to US15/531,349 priority patent/US10418530B2/en
Publication of WO2016083448A1 publication Critical patent/WO2016083448A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8514—Wavelength conversion means characterised by their shape, e.g. plate or foil
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8515—Wavelength conversion means not being in contact with the bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8516—Wavelength conversion means having a non-uniform spatial arrangement or non-uniform concentration, e.g. patterned wavelength conversion layer or wavelength conversion layer with a concentration gradient
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/852—Encapsulations
    • H10H20/854—Encapsulations characterised by their material, e.g. epoxy or silicone resins
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/855—Optical field-shaping means, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/20—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials
    • H10P14/27—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials using selective deposition, e.g. simultaneous growth of monocrystalline and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H10P14/271—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials using selective deposition, e.g. simultaneous growth of monocrystalline and non-monocrystalline semiconductor materials characterised by the preparation of substrate for selective deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W70/00—Package substrates; Interposers; Redistribution layers [RDL]
    • H10W70/60—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers

Definitions

  • Optoelectronic semiconductor chip method for producing an optoelectronic semiconductor chip, conversion element and phosphor for a conversion element
  • An optoelectronic semiconductor chip and a method for its production are specified. Furthermore, a conversion element and an optoelectronic
  • An optoelectronic semiconductor chip is specified, for example, in the document US 2012/0098017 A1.
  • Object of the present invention is to provide a highly efficient optoelectronic semiconductor chip with a
  • Another object of the present application is to provide a particularly efficient conversion element for producing warm white light. Preferably that should
  • Conversion element to be suitable, warm white light with color temperatures between 2000 K and inclusive
  • a phosphor is to be specified, the
  • An optoelectronic semiconductor chip in particular comprises a semiconductor body which is suitable for
  • the optoelectronic includes
  • the ceramic conversion plate comprises a ceramic or is formed from a ceramic.
  • the monocrystalline conversion plate is formed of a monocrystalline material or comprises a monocrystalline material. The ceramic or monocrystalline is preferred
  • the conversion chip having a wavelength-converting bonding layer is connected to the radiation exit surface of the semiconductor chip
  • wavelength-converting bonding layer a mechanically stable connection between the semiconductor body and the conversion plate.
  • the conversion plate a mechanically stable connection between the semiconductor body and the conversion plate.
  • Wavelength-converting bonding layer has an adhesive as a joining material.
  • a resin may be used, for example, a silicone or epoxy or a mixture of these materials.
  • wavelength-converting in the present case means, in particular, that irradiated electromagnetic radiation of a specific wavelength range in
  • wavelength-converting element absorbs electromagnetic radiation of an irradiated one
  • Wavelength range this converts by electronic processes at the atomic and / or molecular level
  • the wavelength-converting joining layer has phosphor particles which are suitable for radiation of the first
  • Wavelength range and the second wavelength range is different. In other words, the
  • the wavelength-converting bonding layer preferably has a thickness of at most 30 micrometers. Due to the small thickness of the wavelength-converting joining layer is a particularly efficient dissipation of heat, which in the conversion of the primary radiation of the first
  • Wavelength range within the phosphor particles arises, possible. In this way, a particularly efficient operation of the semiconductor chip is possible.
  • the wavelength-converting joining layer has a thickness which has a maximum of 20 micrometers, a maximum of 15 micrometers or a maximum of 10 micrometers.
  • the thickness of the wavelength-converting bonding layer can in this case production reasons over its entire surface
  • Wavelength-converting joining layer spoken, so hereby the arithmetic mean meant.
  • individual measured values of the thickness do not deviate more than 50%, particularly preferably not more than 30%, of the
  • the wavelength-converting bonding layer can not be made arbitrarily thin, since to achieve a specific color locus, for example in the warm-white region of the CIE standard color chart, a certain amount of primary radiation of the first wavelength range is converted by the phosphor particles in the wavelength-converting bonding layer into radiation of the second wavelength range got to. Since the proportion of the radiation of the first wavelength range, which are converted by the phosphor particles into radiation of the third wavelength range, with the thickness of the wavelength-converting
  • Wavelength-converting bonding layer at 5 microns, more preferably at 8 microns.
  • Wavelength range blue light, the radiation of the second wavelength range green or green-yellow light and the radiation of the third wavelength range red light preferably emits blue light that partially diffuses from the conversion wafer into green or green-yellow light and from the
  • the semiconductor chip in this embodiment emits mixed-colored light of blue light of the first wavelength range, green or green-yellow Light of the second wavelength range and red light of the third wavelength range.
  • the color location of the mixed-color light is preferably in the warm-white range of the CIE standard color chart. In order to achieve a warm white color location, in particular a red component in the mixed-colored radiation is necessary.
  • the warm white light preferably has color temperatures
  • the warm white light has a color locus containing no more than 10 McAdams ellipses from the color loci on the Planck curve with a color temperature between
  • the color location of the mixed-color light is preferably in a range of +/- 10 McAdams ellipses around the Planck curve at color temperatures between 2000 K inclusive and 4500 K.
  • the warm white light has a color locus containing no more than 10 McAdams ellipses from the color loci on the Planck curve with a color temperature between
  • the color location of the mixed-color light is preferably in a range of +/- 10 McAdams ellipses around the Planck curve at color temperatures between 2500 K and 3500 K.
  • the blue radiation of the first wavelength range preferably has a dominant wavelength of between 400 nm and 480 nm inclusive, especially preferably between 440 nm and 440 nm
  • Wavelength range preferably has one
  • Dominant wavelengths between 520 nm inclusive and 580 nm inclusive, more preferably between 550 nm and 570 nm inclusive.
  • the red radiation of the third wavelength range preferably has a dominant wavelength between and including 590 nanometers and including 650 nanometers, more preferably between and including 600 nanometers and
  • Electromagnetic radiation is drawn in the CIE standard diagram from the white point through the color location of the radiation a straight line.
  • the intersection of the straight line with the spectral color line delimiting the CIE standard diagram denotes the dominant wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the dominant wavelength deviates from a maximum intensity wavelength.
  • Phosphor particles are introduced into a resin. For this reason, to generate radiation of the second,
  • green or green-yellow, wavelength range present also a ceramic or monocrystalline
  • Conversion plate for producing warm white light compared to stacked conversion plates has the advantage that a large part of the heat generated during the conversion arises in the wavelength-converting joining layer and therefore only has to travel a smaller distance through the joining layer. For this reason, the configuration proposed here can consist of a wavelength-converting bonding layer and a conversion layer of a stacked one
  • the present application adopts the idea of converting primary radiation of a first wavelength range into radiation of a second one
  • Wavelength range to use a conversion plate which has an improved heat dissipation
  • Beam exit surface of the semiconductor body mechanically connects to form wavelength converting.
  • phosphor particles are incorporated into the joining material of the joining layer
  • the wavelength-converting joining layer in which
  • Phosphor particles are introduced into a joining material such as a silicone, facing a transparent
  • joining material particularly preferred are high concentrations of phosphor particles, for example between including 50% by weight and including 70% by weight, incorporated in the joining material. Such high concentrations of phosphor particles usually lead to an increase in the specific thermal conductivity of the
  • Wavelength-converting bonding layer compared to a transparent bonding layer without phosphor particles by 50% to 100%.
  • the thermal conductivity of a wavelength-converting bonding layer having a thickness of approximately 10 micrometers differs only slightly from the thermal conductivity of a transparent bonding layer having a thickness of approximately 5 micrometers.
  • Wavelength-converting bonding layer to improve heat dissipation particularly useful.
  • the phosphor particles particularly preferably comprise a phosphor or are formed from a phosphor which is doped with europium as the activator, wherein the
  • Concentration of europium preferably at least 1 mol%, preferably at least 1.5 mol%, preferably at least 2 mol% and particularly preferably at least 3 mol%.
  • Activator of a phosphor is usually a foreign ion, which is introduced into a host lattice and there is a
  • the activator ions form the active part of the phosphor. They are brought into an excited electronic state by the irradiated electromagnetic radiation, also called primary radiation. By emission of electromagnetic radiation Aktivatorion goes back to its ground state. The emitted radiation is the converted radiation of the second
  • Wavelength range It usually has larger ones
  • Wavelength range is approximately proportional to the concentration of activator ions such as europium ions, since these form the optically active part of the phosphor.
  • concentration of activator ions such as europium ions
  • Conversion plate to the semiconductor body ensures as a thicker wavelength-converting joining layer.
  • a (Sr, Ca) AIS1N3 phosphor or a 226 phosphor is suitable.
  • Phosphors are particularly preferably suitable for converting blue light into red light.
  • a 226 phosphor is a phosphor including an inorganic substance having in its composition at least the element D, the Element AI, the element AX, the element SX and the element NX, where D is one, two or more elements from the group Mn, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm
  • Alkali metals Li, Na, K, Rb, Cs
  • Yb Alkali metals
  • AI one, two or more elements from the group of divalent
  • the 226 phosphors have the same crystal structure as Sr (Sr a Cai_ a ) Si 2 Al 2 N 6 .
  • Space groups can be described: PI, P2, PI and its length of the chemical bonds between the elements Al-N and Si-N calculated from the lattice constants and atomic coordinates according to a Rietveld analysis within a value of ⁇ 15% of the values described in Figure 7 lies.
  • Invention is the space group of the 226 phosphor monoclinic
  • the crystal structure of the 226 phosphor compared to the crystal structure of a
  • a 226 phosphor is particularly suitable with a
  • the 226 phosphor is preferably doped with at least 1 mol%, preferably with at least 1.5 mol%, preferably with at least 2 mol% and particularly preferably with at least 3 mol%.
  • a 226 phosphor in contrast to a (Sr, Ca) Al S 1N 3 phosphor, it is possible with a 226 phosphor to provide it with the said high europium doping, since in the case of a 226 phosphor, in contrast to a
  • a 226 phosphor can also be general
  • B here corresponds to trivalent metals
  • E in this case corresponds to monovalent metals
  • G in this case corresponds to tetravalent elements
  • L in this case corresponds to trivalent elements.
  • the term "226 phosphor" results here from the proportions of silicon, aluminum and nitride corresponding to the stoichiometric mentioned
  • a 226 red light emission phosphor has the general empirical formula Sr x Cai x Al S iN 3 : Eu, where 0.8 ⁇ x -S 1, where between 0.1% and 5%, respectively, of Sr , Ca and / or Sr / Ca lattice sites are replaced by Eu, and wherein in the X-ray structure analysis of
  • Phosphorus in orthorhombic description shows a reflex with the Miller indices 1 2 1.
  • composition of a phosphor 226 according to one embodiment with the formula Sr (Sr a CAI a) S 1 2 AI 2 N 6: Eu will be described. This corresponds to the nominal
  • the actual Si: Al ratio can also deviate from 2: 2, which can be expressed by a parameter d.
  • a possible value of d is between 0 and 0.1, including boundary values.
  • X-ray diffraction of Si and Al is not possible. It is also possible that the finished phosphor contains other further elements, for example, about
  • Impurities or fluxes are introduced into the batch mixture or during the synthesis, in particular (but not exclusively) boron and / or carbon and / or
  • Oxygen and / or halogens such as fluorine or
  • Chlorine Due to possible evaporation of individual components, it may also come to statistical understaffing of individual layers. This effect is not or only very difficult to detect with X-ray analysis. Therefore may also have a formula of the type S ri_ e (Sr a CAI a) ig (Si, C) 2 + d (Al, B) 2 -d (N, 0, F, Cl, C) 6: Eu a possible
  • Phosphors relate to their properties and the processes for their preparation.
  • the phosphor particles are formed from a 226 phosphor.
  • 226 phosphors advantageously have a particularly narrow-band emission spectrum, which has a better overlap with the spectral sensitivity of the human eye compared to conventional red phosphors. For this reason, 226 phosphors are suitable, along with a green or green-yellow
  • Radiation of the semiconductor body from the first, preferably blue, wavelength range in radiation of the third, preferably red, wavelength range converts to achieve a desired color location, for example in the warm white area.
  • Phosphor particles form a 226 phosphor or are formed from a 226 phosphor and the Wavelength-converting bonding layer has a thickness of at most 15 micrometers, preferably of at most 10 micrometers.
  • the phosphor particles in the wavelength-converting joining layer have a comparatively high concentration.
  • Particularly preferred is the
  • a high concentration of phosphor particles leads with advantage to an improved heat dissipation from the
  • the phosphor particles have a diameter which corresponds to the thickness of the phosphor particles
  • wavelength-converting bonding layer does not exceed.
  • a joining material is provided in which phosphor particles are introduced. For example, first
  • Phosphor particles are introduced into a joining material such as a resin.
  • a joining material such as a resin.
  • Conversion film can be provided.
  • Conversion film which is suitable to be used as a joining material for example, comprises a pre-crosslinked resin, such as a silicone, are incorporated in the phosphor particles.
  • the conversion film is particularly preferably pre-crosslinked but not yet fully cured.
  • Such a conversion film with a pre-crosslinked resin is advantageous adhesive and can therefore be used as a joining material.
  • the use of a conversion foil as a joining material offers the advantage that in the wavelength-converting
  • Radiation can be set very precisely.
  • the joining material with the phosphor particles can be any suitable material.
  • Semiconductor body can be applied by means of a spray process or by printing. Also by means of printing the
  • Bonding material can be produced semiconductor chips, in which the color location of the emitted radiation can be set very precisely.
  • the joining material with the phosphor particles can be any suitable material.
  • Solvent such as toluene
  • the conversion plate has or is composed of a phosphor having the chemical formula (Lu, Y,) 3 (Al, Ga) 5O12: Ce 3+
  • the ceramic or monocrystalline conversion plate has one of the following phosphors or is one of the following
  • These phosphors are particularly suitable for converting primary radiation from the blue wavelength range into green or green-yellow radiation of a second wavelength range.
  • the conversion element includes in addition to the
  • Conversion plate a conversion layer, which is formed of a resin, are incorporated in the phosphor particle.
  • the conversion layer is applied to a major surface of the conversion plate.
  • the conversion layer is preferably in direct contact with the
  • Conversion platelets Particularly preferably, the
  • Conversion layer has a thickness not greater than 30 microns.
  • the conversion element can be present be made spatially separated from the semiconductor body.
  • the conversion element embraces the idea, a very thin conversion layer for converting primary
  • Resin layer as has already been described above as a wavelength-converting joining layer, on the
  • Characteristics should also be formed at the conversion layer.
  • the conversion element is preferably suitable for combining with a semiconductor body, the blue light as electromagnetic radiation of the first
  • Wavelength range emits mixed-colored radiation from the warm white area of the CIE standard color chart.
  • the conversion element has the advantage that its wavelength-converting properties before application can be characterized on a semiconductor body. Thus, several conversion elements can be sorted by obtained color locations.
  • An optoelectronic semiconductor chip has, for example, a semiconductor body which is suitable for
  • the conversion element is preferably in the semiconductor body in its
  • the conversion element is applied to the radiation exit surface of the semiconductor body.
  • the conversion element is in this case particularly preferably arranged such that the
  • the conversion element is fastened with a transparent bonding layer on the radiation exit surface of the semiconductor body.
  • the transparent joining layer is preferably in direct contact with the
  • the transparent joining layer is particularly preferably permeable to
  • the transparent bonding layer is formed from silicone or comprises a silicone.
  • the transparent bonding layer is particularly preferably no thicker than 5 micrometers.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an optoelectronic semiconductor chip according to a further exemplary embodiment.
  • Figure 5 shows a schematic sectional view of a
  • FIG. 6 shows a schematic sectional illustration of an optoelectronic semiconductor chip according to a further exemplary embodiment. With reference to Figures 7 to 10 phosphors are closer
  • a semiconductor body 1 is provided.
  • the semiconductor body 1 has an active zone 2, which is suitable for electromagnetic radiation of a first
  • Wavelength range of a radiation exit surface 3 of the semiconductor body 1 to emit ( Figure 1).
  • Semiconductor body 1 emits in the present case blue light with a dominant wavelength of 450 nanometers.
  • Nitride compound semiconductor materials are based here on a nitride compound semiconductor material. Nitride compound semiconductor materials
  • Compound semiconductor materials containing nitrogen such as the materials from the system In x Al y Gai x - y N with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • phosphor particles 4 are introduced into a joining material, such as a silicone (not
  • the phosphor particles 4 have a CaAlSiN phosphor or are formed from a CaAlSiN phosphor.
  • the CaAlSiN phosphor corresponds, for example, to the formula (Sr, Ca) AIS1N3 and is thereto
  • Phosphor particle 4 does not exceed 20 microns.
  • the joining material with the phosphor particles 4 is applied as a layer 5 to the radiation exit surface 3 of the
  • Conversion plate 6 is placed on the layer 5 of the joining material with the phosphor particles 4.
  • Conversion plate 6 is suitable for converting radiation of the first wavelength range, that is to say in the present case blue light of the semiconductor body 1, into green or green-yellow radiation. Finally, the joining material is cured and there is a wavelength-converting bonding layer 7, the
  • Conversion plate 6 connects ( Figure 3).
  • Wavelength-converting bonding layer 7 has a thickness of approximately 20 micrometers. The concentration of
  • Wavelength-converting joining layer 7 in the present case is approximately 54% by weight.
  • the conversion chip 6 is formed of a phosphor having the following formula or has a phosphor having the following formula: LU 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ , wherein the cerium content is 1 mol%.
  • Embodiment of Figure 3 sends in operation
  • mixed-colored radiation consisting of primary blue light of the semiconductor body 1, by the phosphor particles. 4
  • Conversion plate 6 converted green / green-yellow light.
  • the CRI value (Color Rendering Index" for
  • Color rendering value of this light is about 92.
  • the mixed-color light has a Color locus in the warm white area of the CIE standard color chart of, for example, 2700 K.
  • Wavelength-converting bonding layer 7 which are converted into heat.
  • a temperature of 155 ° C is close to the maximum permissible continuous operating temperature of
  • the semiconductor chip can be used with higher current densities
  • the optoelectronic semiconductor chip act as semiconductor chips with purely resin-based, thick conversion layers, which typically have maximum current densities of 1 A / mm 2 to 1.5 A / mm 2 . Therefore, the optoelectronic semiconductor chip according to the
  • Embodiment of Figure 3 not only suitable to warm white light efficiently with a high
  • Color rendering index and high luminance emit, but also has a long life.
  • Embodiment of Figure 3 phosphor particles 4 in the wavelength-converting joining layer 7, which have a 226 phosphor or are formed from a 226 phosphor.
  • the 226 phosphor transmits red light when excited with blue light of the semiconductor body 1
  • Wavelength-converting bonding layer 7 not larger than 10 microns.
  • wavelength-converting bonding layer 7 would be in the
  • Embodiment according to the figure 3 is not possible, since the degree of conversion of the CaAlSiN phosphor used there is not sufficient.
  • the concentration of the phosphor particles 4 in the wavelength-converting joining layer 7 in the present case has a value of approximately 59% by weight.
  • the mixed-color light consisting of blue light of the semiconductor body 1, green / green-yellow light of the conversion plate 6 and red light of the phosphor particles 4, the of the
  • Semiconductor chip is emitted according to the figure 4, has a CRI value of about 93.
  • a simulation of the temperature of a main surface 8 of the wavelength-converting joining layer 7 of the semiconductor chip according to the exemplary embodiment of FIG. 4 yields 146 ° C. as the highest value. This means that the
  • optoelectronic semiconductor chip could be operated at a higher ambient temperature by 10 ° C than the
  • the conversion element 9 according to the embodiment of Figure 5 has a ceramic or monocrystalline
  • Conversion plate 6 which is suitable for radiation of a first wavelength range, preferably blue light, in radiation of a second wavelength range, preferably to convert green / green-yellow light.
  • a conversion layer 11 is applied on a main surface 10 of the conversion plate 6, a conversion layer 11 is applied.
  • the conversion layer 11 is formed of a resin in which phosphor particles 4 are introduced.
  • the phosphor particles 4 are suitable for radiation of the first wavelength range in radiation of a third
  • Wavelength range, preferably red light to convert, the thickness of the conversion layer 11 has in the present case
  • Embodiment of Figure 6 has a semiconductor body 1, as has already been described with reference to FIG.
  • a conversion element 9 is applied, as has already been described with reference to FIG 5.
  • the conversion element 9 is provided with a transparent bonding layer 12, for example
  • the transparent joining layer 12 is in direct contact with the
  • FIGS. 8 and 9 show a view of the layers of Sr (Sr a CAI a) S1 2 AI 2 N6.
  • the layers are derived from A1N.
  • Figure 10 shows for comparison the literature known structure of (Sr 0 .846Ca 0 .2ii) AIS1N3 (ICSD 163203) from direction [010].

Landscapes

  • Led Device Packages (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip miteinem Halbleiterkörper (1), der dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (3) auszusenden,angegeben. Außerdem umfasst der Halbleiterchip ein keramischesoder einkristallines Konversionsplättchen (6), das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereichverschieden ist undeine wellenlängenkonvertierende Fügeschicht (7), die das Konversionsplättchen (6) mit der Strahlungsaustrittsfläche (3) verbindet, wobeidie wellenlängenkonvertierende Fügeschicht (7) Leuchtstoffpartikel (4) aufweist, die dazu geeignet sind, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist. Die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht (7) weist darüber hinaus eine Dicke von maximal 30 Mikrometer auf. Es werdenein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips, ein weiterer Halbleiterchip, Konversionselement und Leuchtstoffangegeben.

Description

Beschreibung
Optoelektronischer Halbleiterchip, Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips, Konversionselement und Leuchtstoff für ein Konversionselement
Es werden ein optoelektronischer Halbleiterchip sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung angegeben. Weiterhin werden ein Konversionselement und ein optoelektronischer
Halbleiterchip mit einem Konversionselement angegeben. Es wird ein Leuchtstoff angegeben.
Ein optoelektronischer Halbleiterchip ist beispielsweise in der Druckschrift US 2012/0098017 AI angegeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen möglichst effizienten optoelektronischen Halbleiterchip mit einem
Halbleiterkörper und einem Konversionselement anzugeben.
Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen optoelektronischen Halbleiterchips angegeben werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, ein besonders effizientes Konversionselement zur Erzeugung von warmweißem Licht anzugeben. Bevorzugt soll das
Konversionselement dazu geeignet sein, warmweißes Licht mit Farbtemperaturen zwischen einschließlich 2000 K und
einschließlich 4500 K, besonders bevorzugt zwischen
einschließlich 2500 K und einschließlich 3500 K, zu erzeugen. Weiterhin soll ein Leuchtstoff angegeben werden, der
insbesondere zur Verwendung bei dem Konversionselement geeignet ist. Diese Aufgaben werden durch einen optoelektronischen
Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 13, durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruches 8 und durch ein
Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst .
Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der
optoelektronischen Halbleiterchips, des Verfahrens zur
Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips und des Konversionselementes sind jeweils in den abhängigen
Ansprüchen angegeben. Ein optoelektronischer Halbleiterchip umfasst insbesondere einen Halbleiterkörper, der dazu geeignet ist,
elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche auszusenden. Weiterhin umfasst der optoelektronische
Halbleiterchip ein keramisches oder ein einkristallines
Konversionsplättchen, das dazu geeignet ist,
elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereiches in elektromagnetische Strahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten
Wellenlängenbereich verschieden ist. Beispielsweise umfasst das keramische Konversionsplättchen eine Keramik oder ist aus einer Keramik gebildet. Beispielsweise ist das einkristalline Konversionsplättchen aus einem einkristallinen Material gebildet oder umfasst ein einkristallines Material. Bevorzugt ist das keramische oder das einkristalline
Konversionsplättchen frei von einem Matrixmaterial, wie einem Silikon oder einem Epoxid. Gemäß einer Ausführungsform des Halbleiterchips ist das Konversionsplättchen mit einer wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht mit der Strahlungsaustrittsfläche des
Halbleiterkörpers verbunden. Insbesondere erzielt die
wellenlängenkonvertierende Fügeschicht eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Konversionsplättchen. Besonders bevorzugt weist die
wellenlängenkonvertierende Fügeschicht einen Klebstoff als Fügematerial auf. Als Fügematerial kann ein Harz verwendet werden, beispielsweise ein Silikon oder Epoxid oder eine Mischung dieser Materialien.
Mit dem Begriff "wellenlängenkonvertierend" ist vorliegend insbesondere gemeint, dass eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs in
elektromagnetische Strahlung eines anderen, bevorzugt
längerwelligen, Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. In der Regel absorbiert ein wellenlängenkonvertierendes Element elektromagnetische Strahlung eines eingestrahlten
Wellenlängenbereiches, wandelt diese durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in
elektromagnetische Strahlung eines anderen
Wellenlängenbereiches um und sendet die umgewandelte
elektromagnetische Strahlung wieder aus.
Gemäß einer Ausführungsform des Halbleiterchips weist die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht Leuchtstoffpartikel auf, die dazu geeignet sind, Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs in Strahlung eines dritten
Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten
Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist. Mit anderen Worten verleihen die
Leuchtstoffpartikel der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Besonders bevorzugt sind die Leuchtstoffpartikel in das Fügematerial eingebracht. Die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht weist bevorzugt eine Dicke von maximal 30 Mikrometer auf. Aufgrund der geringen Dicke der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht ist eine besonders effiziente Abführung der Wärme, die bei der Umwandlung der primären Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs in Strahlung des dritten
Wellenlängenbereiches innerhalb der Leuchtstoffpartikel entsteht, möglich. Auf diese Art und Weise ist ein besonders effizienter Betrieb des Halbleiterchips möglich.
Besonders bevorzugt weist die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht eine Dicke auf, die maximal 20 Mikrometer, maximal 15 Mikrometer oder maximal 10 Mikrometer aufweist. Die Dicke der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht kann hierbei herstellungsbedingt über ihre gesamte Fläche
schwanken. Wird vorliegend von einer "Dicke" der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht gesprochen, so ist hiermit der arithmetische Mittelwert gemeint. Bevorzugt weichen einzelne Messwerte der Dicke nicht mehr als 50 %, besonders bevorzugt nicht mehr als 30 %, von dem
arithmetischen Mittel ab.
Je dünner die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht
ausgebildet ist, umso besser kann die im Betrieb entstehende Wärme aus der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht in den Halbleiterkörper abgeleitet werden. Weiterhin wird nicht nur die im Betrieb entstehende Wärme aus der Fügeschicht selber mit Vorteil besonders effizient in den Halbleiterkörper abgeführt. Vielmehr wird auch die im Betrieb in dem Konversionsplättchen entstehende Wärme über eine möglichst dünne Fügeschicht besonders effizient in den Halbleiterkörper abgeleitet. Allerdings kann die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht nicht beliebig dünn ausgeführt werden, da zur Erzielung eines bestimmten Farborts, beispielsweise im warmweißen Bereich der CIE-Normfarbtafel , ein gewisser Anteil an primärer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs durch die Leuchtstoffpartikel in der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht in Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umgewandelt werden muss. Da der Anteil der Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, die von den LeuchtstoffPartikeln in Strahlung des dritten Wellenlängenbereichs umgewandelt werden, mit der Dicke der wellenlängenkonvertierenden
Fügeschicht sinkt, kann die wellenlängenkonvertierende
Fügeschicht nicht beliebig dünn ausgestaltet werden, wenn ein bestimmter Farbort im warmweißen Bereich erzielt werden soll.
Bevorzugt liegt eine Untergrenze für die Dicke der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht bei 5 Mikrometer, besonders bevorzugt bei 8 Mikrometer.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen
Halbleiterchips ist die Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs blaues Licht, die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs grünes oder grün-gelbes Licht und die Strahlung des dritten Wellenlängenbereichs rotes Licht. Mit anderen Worten emittiert der Halbleiterkörper bevorzugt blaues Licht, das von dem Konversionsplättchen teilweise in grünes oder grün-gelbes Licht und von den
LeuchtstoffPartikeln teilweise in rotes Licht umgewandelt wird. Besonders bevorzugt emittiert der Halbleiterchip bei dieser Ausführungsform mischfarbiges Licht aus blauem Licht des ersten Wellenlängenbereichs, grünem oder grün-gelbem Licht des zweiten Wellenlängenbereichs und rotem Licht des dritten Wellenlängenbereichs. Der Farbort des mischfarbigen Lichts liegt hierbei bevorzugt im warmweißen Bereich der CIE- Normfarbtafel . Zur Erzielung eines warmweißen Farborts ist insbesondere ein roter Anteil in der mischfarbigen Strahlung notwendig .
Bevorzugt weist das warmweißes Licht Farbtemperaturen
zwischen einschließlich 2000 K und einschließlich 4500 K, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 2500 K und einschließlich 3500 K, auf.
Besonders bevorzugt weist das warmweiße Licht einen Farbort auf, der nicht mehr als 10 McAdams-Ellipsen von den Farborten auf der Planckkurve mit einer Farbtemperatur zwischen
einschließlich 2000 K und einschließlich 4500 K abweicht. Mit anderen Worten liegt der Farbort des mischfarbigen Lichts bevorzugt in einem Bereich von +/- 10 McAdams-Ellipsen um die Planckkurve bei Farbtemperaturen zwischen einschließlich 2000 K und einschließlich 4500 K.
Besonders bevorzugt weist das warmweiße Licht einen Farbort auf, der nicht mehr als 10 McAdams-Ellipsen von den Farborten auf der Planckkurve mit einer Farbtemperatur zwischen
einschließlich 2500 K und einschließlich 3500 K abweicht. Mit anderen Worten liegt der Farbort des mischfarbigen Lichts bevorzugt in einem Bereich von +/- 10 McAdams-Ellipsen um die Planckkurve bei Farbtemperaturen zwischen einschließlich 2500 K und einschließlich 3500 K.
Die blaue Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs weist bevorzugt eine Dominantwellenlängen zwischen einschließlich 400 Nanometer und einschließlich 480 Nanometer, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 440 Nanometer und
einschließlich 460 Nanometer, auf.
Die grüne oder grün-gelbe Strahlung des zweiten
Wellenlängenbereichs weist bevorzugt eine
Dominantwellenlängen zwischen einschließlich 520 Nanometer und einschließlich 580 Nanometer, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 550 Nanometer und einschließlich 570 Nanometer, auf.
Die rote Strahlung des dritten Wellenlängenbereichs weist bevorzugt eine Dominantwellenlängen zwischen einschließlich 590 Nanometer und einschließlich 650 Nanometer, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 600 Nanometer und
einschließlich 620 Nanometer, auf.
Zur Bestimmung der Dominantwellenlänge von
elektromagnetischer Strahlung wird in dem CIE-Normdiagramm ausgehend vom Weißpunkt durch den Farbort der Strahlung eine gerade Linie gezogen. Der Schnittpunkt der geraden Linie mit der das CIE-Normdiagramm begrenzenden Spektralfarblinie bezeichnet die Dominantwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Im Allgemeinen weicht die Dominantwellenlänge von einer Wellenlänge maximaler Intensität ab.
Bei der Konversion von elektromagnetischer Strahlung in längerwellige elektromagnetische Strahlung entsteht Wärme, die von dem Ort der Konversion abgeleitet werden muss. Wird die Wärme schlecht abgeleitet, so verringert sich die
Effizienz der Konversion. Zur Erhöhung der Effizienz ist daher eine besonders gute Wärmeabfuhr vom Ort der Konversion notwendig. Eine Möglichkeit, um eine gute Wärmeabfuhr von dem Ort der Konversion zu erzielen, ist die Verwendung von keramischen oder einkristallinen Konversionsplättchen, die eine bessere Wärmeabfuhr ermöglichen als beispielsweise harzbasierte Konversionselemente, bei denen
Leuchtstoffpartikel in ein Harz eingebracht sind. Aus diesem Grund wird zur Erzeugung von Strahlung des zweiten,
beispielsweise grün oder grün-gelben, Wellenlängenbereichs vorliegend auch ein keramisches oder einkristallines
Konversionsplättchen vorgeschlagen . Grundsätzlich wäre die Verwendung eines weiteren
Konversionsplättchen denkbar, das Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in Strahlung des dritten, beispielsweise roten, Wellenlängenbereichs
umwandelt. Hierdurch ist zwar eine bessere Entwärmung
möglich, allerdings erhöht sich der Montageaufwand der
Konversionsplättchen deutlich, da beide exakt positioniert werden müssen. Weiterhin wird bei der Stapelung zweier unterschiedlicher Konversionsplättchen eine zusätzliche
Klebstoffschicht notwendig, um die beiden
Konversionsplättchen aneinander zu befestigen. Diese
zusätzliche Klebstoffschicht verringert wiederum die
Wärmeleitfähigkeit der gestapelten Konversionsplättchen.
Zudem weist die Kombination einer wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht mit einem keramischen oder einkristallinen
Konversionsplättchen zur Erzeugung von warmweißem Licht gegenüber gestapelten Konversionsplättchen den Vorteil auf, dass ein großer Teil der bei der Konversion entstehenden Wärme in der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht entsteht und daher nur einen geringeren Weg durch die Fügeschicht hindurch zurücklegen muss. Aus diesem Grund kann die hier vorgeschlagene Konfiguration aus wellenlängenkonvertierender Fügeschicht und Konversionsplättchen einer gestapelten
Anordnung zweier Konversionsplättchen überlegen sein. Das Gleiche gilt für eine Anordnung eines warmweißen keramischen Konversionsplättchen, das mit einer transparenten Fügeschicht auf einem Halbleiterkörper befestigt ist.
Die vorliegende Anmeldung macht sich unter anderem die Idee zu eigen, zur Konversion primärer Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs ein Konversionsplättchen zu verwenden, das eine verbesserte Wärmeabfuhr aufweist und die
Fügeschicht, die das Konversionsplättchen mit der
Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers mechanisch verbindet, wellenlängenkonvertierend auszubilden. Um die Fügeschicht wellenlängenkonvertierend auszubilden, werden in das Fügematerial der Fügeschicht Leuchtstoffpartikel
eingebracht, die primäre Strahlung des Halbleiterkörpers in elektromagnetische Strahlung eines dritten
Wellenlängenbereichs umwandeln. Vorliegend erfüllt die
Fügeschicht somit neben der Aufgabe, Halbleiterkörper und Konversionsplättchen mechanisch miteinander zu verbinden, auch noch die Aufgabe, Strahlung des Halbleiterkörpers zu konvertieren .
Die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht, bei der
Leuchtstoffpartikel in ein Fügematerial wie einem Silikon eingebracht sind, weist gegenüber einer transparenten
Fügeschicht, die nur aus dem Fügematerial wie einem Silikon gebildet ist und bevorzugt frei ist von LeuchtstoffPartikeln eine erhöhte spezifische Wärmeleitfähigkeit auf. Die erhöhte spezifische Wärmeleitfähigkeit ergibt sich aus der höheren spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Leuchtstoffpartikel gegenüber der spezifischen Wärmeleitfähigkeit des
Fügematerials. Vorliegend werden besonders bevorzugt hohe Konzentrationen an LeuchtstoffPartikeln, etwa zwischen einschließlich 50 Gew% und einschließlich 70 Gew%, in das Fügematerial eingebracht. Derart hohe Konzentrationen an LeuchtstoffPartikeln führen in der Regel zu einer Erhöhung der spezifischen thermischen Wärmeleitfähigkeit der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht gegenüber einer transparenten Fügeschicht ohne LeuchtstoffPartikeln um 50% bis 100%. Hierdurch unterscheidet sich beispielsweise die thermische Leitfähigkeit einer wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht mit einer Dicke von zirka 10 Mikrometer von der thermischen Leitfähigkeit einer transparenten Fügeschicht mit einer Dicke von etwa 5 Mikrometer nur noch geringfügig.
Weiterhin ist es vorliegend vorgesehen, die Wärmeabfuhr von der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht zu verbessern, indem deren Dicke 30 Mikrometer nicht übersteigt.
Aufgrund der großen Stokes-Verschiebung entsteht bei der Konversion von blauem Licht in rotes Licht besonders viel Wärme, die von den LeuchtstoffPartikeln abgeleitet werden muss. Daher ist insbesondere bei der Konversion von blauem Licht des Halbleiterkörpers in rotes Licht durch die
Leuchtstoffpartikel in der wellenlängenkonvertierenden
Fügeschicht eine geringe Dicke der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht zur Verbesserung der Wärmeabfuhr besonders sinnvoll.
Besonders bevorzugt weisen die Leuchtstoffpartikel einen Leuchtstoff auf oder sind aus einem Leuchtstoff gebildet, der mit Europium als Aktivator dotiert ist, wobei die
Konzentration des Europiums bevorzugt mindestens 1 mol%, bevorzugt mindestens 1,5 mol%, bevorzugt mindestens 2 mol% und besonders bevorzugt mindestens 3 mol% beträgt. Der
Aktivator eines Leuchtstoffs ist in der Regel ein Fremdion, das in ein Wirtsgitter eingebracht ist und dort einen
Gitterplatz besetzt. Die Aktivatorionen bilden den aktiven Teil des Leuchtstoffs. Sie werden durch die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung, auch primäre Strahlung genannt, in einen angeregten elektronischen Zustand gebracht. Durch Abgabe elektromagnetischer Strahlung geht das Aktivatorion wieder in seinen Grundzustand über. Die abgegebene Strahlung ist die konvertierte Strahlung des zweiten
Wellenlängenbereichs. Sie weist in der Regel größere
Wellenlängen auf als die eingestrahlte Strahlung.
Der von einem Leuchtstoffpartikel absorbierte Anteil an primärer, beispielsweise blauer, Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs ist näherungsweise proportional zur Konzentration an Aktivatorionen wie etwa Europiumionen, da diese den optisch aktiven Teil des Leuchtstoffs bilden. Je größer die Konzentration an Aktivatorionen in dem Leuchtstoff ist, desto weniger Menge an Leuchtstoff ist für den
gewünschten Konversionsgrad erforderlich. Daher kann mit einer erhöhten Dotierung an Aktivatorionen mit Vorteil eine dünnere wellenlängenkonvertierende Fügeschicht realisiert werden, die eine bessere thermische Anbindung des
Konversionsplättchens an den Halbleiterkörper gewährleistet als eine dickere wellenlängenkonvertierende Fügeschicht.
Als Leuchtstoff ist beispielsweise ein ( Sr, Ca) AIS1N3- Leuchtstoff oder ein 226-Leuchtstoff geeignet. Diese
Leuchtstoffe sind besonders bevorzugt dazu geeignet, blaues Licht in rotes Licht umzuwandeln.
Bei einem 226-Leuchtstoff handelt es sich beispielsweise um einen Leuchtstoff, der eine anorganische Substanz beinhaltet, die in ihrer Zusammensetzung zumindest das Element D, das Element AI, das Element AX, das Element SX und das Element NX beinhaltet, wobei D eines, zwei oder mehrere Elemente aus der Gruppe Mn, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm
Alkalimetalle (Li, Na, K, Rb, Cs) und Yb darstellt, AI eines, zwei oder mehrere Elemente aus der Gruppe der divalenten
Metalle darstellt, die nicht in D beinhaltet sind, SX eines, zwei oder mehrere Elemente aus der Gruppe der tetravalenten Metalle darstellt, AX eines, zwei oder mehrere Elemente aus der Gruppe der trivalenten Metalle darstellt, und NX eines, zwei oder mehrere Elemente aus der Gruppe 0, N, S, C, Cl, F darstellt). Die 226-Leuchtstoffe weisen hierbei dieselbe Kristallstruktur auf, wie Sr ( SraCai_a) Si2Al2N6.
Im Folgenden wird ein 226-Leuchtstoff, der „dieselbe
Kristallstruktur aufweist, wie Sr ( SraCai-a) S12AI2N6" als ein 226-Leuchtstoff definiert, der neben der Raumgruppe P2i weiterhin auch in einer der Raumgruppen 1 bis 3 gemäß der International Tables Crystallography A, also in folgenden
Raumgruppen beschrieben werden kann: PI, P2, PI und dessen Länge der chemischen Bindungen zwischen den Elementen Al-N und Si-N berechnet aus den Gitterkonstanten und Atomkoordinaten gemäß einer Rietveld-Analyse innerhalb eines Wertes von ±15 % der in Figur 7 beschriebenen Werte liegt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Raumgruppe des 226-Leuchtstoffs monoklin
Besonders bevorzugt weist die Kristallstruktur des 226- Leuchtstoff gegenüber der Kristallstruktur eines
( Sr, Ca) AlSiN3-Leuchtstoffs eine doppelte so große
Einheitszelle auf. Aufgrund seiner kristallographischen Struktur ist ein 226- Leuchtstoff insbesondere dazu geeignet, mit einer
vergleichsweise hohen Europiumdotierung versehen zu werden. Bevorzugt ist der 226-Leuchtstoff mit mindestens 1 mol%, bevorzugt mit mindestens 1,5 mol%, bevorzugt mit mindestens 2 mol% und besonders bevorzugt mit mindestens 3 mol% dotiert. Beispielsweise im Unterschied zu einem ( Sr, Ca) AI S 1N3 - Leuchtstoff ist es bei einem 226-Leuchtstoff möglich diesen mit den genannten hohen Europiumdotierungen zu versehen, da bei einem 226-Leuchtstoff im Unterschied zu einem
( Sr, Ca) Al S iN3-Leuchtstoff keine Abnahme der Effizienz mit Europiumdotierungen über 1 mol% erfolgt. Grund hierfür ist die veränderte Kristallstruktur des 226-Leuchtstoffs , die dem Aktivatoratom ein größeres Platzangebot zur Verfügung stellt.
Weiterhin kann ein 226-Leuchtstoff auch der allgemeinen
Formel Sr (SraMi_a ) Si2Al2 (N, X) 6 : D, A, B, E, G, L entsprechen, wobei M ausgewählt ist aus Ca, Ba, Mg allein oder in Kombination und A ausgewählt ist aus zweiwertigen zu M und D
unterschiedlichen Metallen. B entspricht hierbei dreiwertigen Metallen, E entspricht hierbei einwertigen Metallen, G entspricht hierbei vierwertigen Elementen und L entspricht hierbei dreiwertigen Elementen. Der Begriff „226-Leuchtstoff" ergibt sich hierbei aus den Anteilen an Silizium, Aluminium und Nitrid entsprechend der genannten stöchiometrischen
Formel .
Ein 226-Leuchtstoff weist besonders bevorzugt die allgemeine Summenformel Sr ( SraMi_a ) S 12AI2N6 : D auf, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe Ca, Ba, Zn, Mg und/oder Li. D ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe Mn, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und Yb . Besonders bevorzugt ist D = Ce und Eu . Ein 226-Leuchtstoff zur Emission von rotem Licht weist beispielsweise die allgemeine Summenformel SrxCai-xAl S iN3 : Eu auf, wobei 0,8 < x -S 1, wobei zwischen einschließlich 0,1 % und 5 % der Sr-, Ca- und/oder Sr/Ca-Gitterplätze durch Eu ersetzt sind, und wobei in der Röntgenstrukturanalyse der
Leuchtstoff in orthorhombischer Beschreibung einen Reflex mit den Miller 'sehen Indizes 1 2 1 aufzeigt.
Die Zusammensetzung eines 226-Leuchtstoffs kann gemäß einer Ausführungsform mit der Summenformel Sr ( SraCai-a ) S 12AI2N6 : Eu beschrieben werden. Dies entspricht der nominellen
Zusammensetzung des Leuchtstoffs gemäß der Zusammensetzung der Einwaage. Das tatsächlich vorliegende Si : AI-Verhältnis kann jedoch auch von 2:2 abweichen, was durch einen Parameter d ausgedrückt werden kann. Ein möglicher Wert von d liegt beispielsweise zwischen 0 und 0.1, Randwerte einschließlich. Eine röntgenographische Unterscheidung von Si und AI ist nicht möglich. Ebenso ist es möglich, dass der fertige Leuchtstoff andere weitere Elemente enthält, die beispielsweise über
Verunreinigungen oder Flussmittel in der Ansatzmischung oder während der Synthese eingebracht werden, insbesondere (aber nicht ausschließlich) Bor und/oder Kohlenstoff und/oder
Sauerstoff und/oder Halogene wie zum Beispiel Fluor oder
Chlor. Durch eventuelle Abdampfungen einzelner Komponenten kann es auch zu statistischen Unterbesetzungen einzelner Lagen kommen. Auch dieser Effekt ist mit röntgenographischer Analyse nicht beziehungsweise nur sehr schwer detektierbar. Deshalb ist kann auch eine Summenformel des Typs S ri_e ( SraCai- a) i-g(Si,C)2+d(Al,B)2-d(N,0,F,Cl,C) 6 : Eu eine mögliche
Beschreibung eines tatsächlich vorliegenden 226-Leuchtstoffs sein . 226-Leuchtstoffe sind in der Druckschrift PCT/EP2014/071544 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Insbesondere werden die Teile der Druckschrift
PCT/EP2014/071544 explizit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen, die sich auf die oben genannten
Leuchtstoffe, ihre Eigenschaften sowie die Verfahren zu ihrer Herstellung beziehen.
Besonders bevorzugt sind die Leuchtstoffpartikel aus einem 226-Leuchtstoff gebildet. 226-Leuchtstoffe weisen mit Vorteil ein besonders schmalbandiges Emissionsspektrum auf, das im Vergleich zu herkömmlichen roten Leuchtstoffen einen besseren Überlapp mit der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges aufweist. Aus diesem Grund sind 226-Leuchtstoffe dazu geeignet, zusammen mit einem grün oder grün-gelb
emittierenden Leuchtstoff und einer primären blauen
Anregungsstrahlung effizient warmweißes Licht zu erzeugen.
Daher kann mit LeuchtstoffPartikeln aus einem 226-Leuchtstoff mit Vorteil eine besonders dünne wellenlängenkonvertierende Fügeschicht ausgebildet werden, die trotzdem genügend
Strahlung des Halbleiterkörpers aus dem ersten, bevorzugt blauen, Wellenlängenbereich in Strahlung des dritten, bevorzugt roten, Wellenlängenbereichs umwandelt, um einen gewünschten Farbort, beispielsweise im warmweißen Bereich, zu erzielen . Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des
optoelektronischen Halbleiterchips weisen die
Leuchtstoffpartikel einen 226-Leuchtstoff auf oder sind aus einem 226-Leuchtstoff gebildet und die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht weist eine Dicke von maximal 15 Mikrometern, bevorzugt von maximal 10 Mikrometern auf . Besonders bevorzugt weisen die Leuchtstoffpartikel in der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht eine vergleichsweise hohe Konzentration auf. Besonders bevorzugt liegt die
Konzentration der Leuchtstoffpartikel in der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht zwischen
einschließlich 50 Gew% und einschließlich 70 Gew% . Eine hohe Konzentration an LeuchtstoffPartikeln führt mit Vorteil zu einer verbesserten Wärmeabfuhr aus der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht . Besonders bevorzugt weisen die Leuchtstoffpartikel einen Durchmesser auf, der die Dicke der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht nicht übersteigt.
Zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips wird ein Fügematerial bereitgestellt, in das Leuchtstoffpartikel eingebracht sind. Beispielsweise werden zunächst
Leuchtstoffpartikel in ein Fügematerial, wie ein Harz, eingebracht. Alternativ kann als Fügematerial auch eine
Konversionsfolie bereitgestellt werden. Eine
Konversionsfolie, die geeignet ist als Fügematerial verwendet zu werden, umfasst beispielsweise ein vorvernetztes Harz, etwa ein Silikon, in das Leuchtstoffpartikel eingebracht sind. Die Konversionsfolie ist besonders bevorzugt zwar vorvernetzt aber noch nicht vollständig ausgehärtet. Eine derartige Konversionsfolie mit einem vorvernetztem Harz ist mit Vorteil haftfähig und kann daher als Fügematerial verwendet werden. Die Verwendung einer Konversionsfolie als Fügematerial bietet den Vorteil, die in die wellenlängenkonvertierende
Fügeschicht eingebrachte Menge an LeuchtstoffPartikeln gut kontrollieren zu können. Dies ermöglicht die Herstellung von Halbleiterchips, bei denen der Farbort der ausgesandten
Strahlung besonders genau eingestellt werden kann.
In einem nächsten Schritt wird das Fügematerial mit den
LeuchtstoffPartikeln auf eine Strahlungsaustrittsfläche eines Halbleiterkörpers aufgebracht. Alternativ kann das
Fügematerial auch auf eine Hauptfläche des
Konversionsplättchens aufgebracht werden.
Schließlich wird ein keramisches oder ein einkristallines Konversionsplättchen oder ein Halbleiterkörper auf das
Fügematerial aufgesetzt und das Fügematerial ausgehärtet. So entsteht eine wellenlängenkonvertierende Fügeschicht, die das Konversionsplättchen mit der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers verbindet.
Das Fügematerial mit den LeuchtstoffPartikeln kann
beispielsweise auf die Strahlungsaustrittsfläche des
Halbleiterkörpers mittels eines Sprühverfahrens oder mittels Drucken aufgebracht werden. Auch mittels Drucken des
Fügematerials können Halbleiterchips erzeugt werden, bei denen der Farbort der ausgesandten Strahlung besonders genau eingestellt werden kann.
Dem Fügematerial mit den LeuchtstoffPartikeln kann ein
Lösungsmittel, wie beispielsweise Toluol, beigefügt werden, um die Viskosität der Mischung entsprechend anzupassen. Gemäß einer Ausführungsform weist das keramische oder
einkristalline Konversionsplättchen einen der folgenden
Leuchtstoffe auf oder ist aus einem der folgenden
Leuchtstoffe gebildet: YAG, LuYAG oder LuAG. Bevorzugt weist das Konversionsplättchen einen Leuchtstoff mit der chemischen Formel (Lu, Y, ) 3 (AI, Ga) 5O12 : Ce3+ auf oder ist aus einem
derartigen Leuchtstoff gebildet. Besonders bevorzugt weist das keramische oder einkristalline Konversionsplättchen einen der folgenden Leuchtstoffe auf oder ist aus einem der
folgenden Leuchtstoffe gebildet: LU3AI 5O12 : Ce3+, Y3AI 5O12 : Ce3+, (Lu,Y)3Al5012:Ce3\ Y (AI , Ga) 5012 : Ce3\ (Lu, Y) 3 (AI , Ga) 5012 : Ce3+ .
Diese Leuchtstoffe sind insbesondere dazu geeignet, primäre Strahlung aus dem blauen Wellenlängenbereich in grüne oder grüne-gelbe Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches umzuwandeln .
Weiterhin ist es auch möglich, auf Basis eines keramischen oder einkristallinen Konversionsplättchens , das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist, ein Konversionselement anzugeben. Das Konversionselement umfasst neben dem
Konversionsplättchen eine Konversionsschicht, die aus einem Harz gebildet ist, in das Leuchtstoffpartikel eingebracht sind. Die Konversionsschicht ist hierbei auf eine Hauptfläche des Konversionsplättchens aufgebracht. Die Konversionsschicht steht bevorzugt in direktem Kontakt mit dem
Konversionsplättchen. Besonders bevorzugt weist die
Konversionsschicht eine Dicke auf, die nicht größer ist als 30 Mikrometer. Das Konversionselement kann vorliegend räumlich getrennt von dem Halbleiterkörper hergestellt werden .
Das Konversionselement macht sich die Idee zu eigen, eine sehr dünne Konversionsschicht zur Umwandlung primärer
Strahlung eines ersten, bevorzugt blauen Wellenlängenbereich in einen dritten, bevorzugt roten Wellenlängenbereich auf da keramische Konversionsplättchen aufzubringen. Mit anderen Worten wird eine mit LeuchtstoffPartikeln gefüllte
Harzschicht, wie sie oben als wellenlängenkonvertierende Fügeschicht bereits beschrieben wurde, auf das
Konversionsplättchen aufgebracht. Im Unterschied zu dem oben beschriebenen Halbleiterchip, bei dem die mit
LeuchtstoffPartikeln gefüllte Harzschicht zur
Wellenlängenkonversion und zur Fixierung des
Konversionsplättchens gleichzeitig dient, ist die
Konversionsschicht bei dem Konversionselement nur zur
Wellenlängenkonversion vorgesehen. Ansonsten können die weiter oben in Zusammenhang mit der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht beschriebenen
Merkmale ebenso bei der Konversionsschicht ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist das Konversionselement aus dem
Konversionsplättchen und der Konversionsschicht gebildet.
Insbesondere ist das Konversionselement bevorzugt dazu geeignet, mit einem Halbleiterkörper zusammen, der blaues Licht als elektromagnetische Strahlung des ersten
Wellenlängenbereichs aussendet, mischfarbige Strahlung aus dem warmweißen Bereich der CIE-Normfarbtafel auszusenden.
Das Konversionselement weist den Vorteil auf, dass dessen wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften vor dem Aufbringen auf einen Halbleiterkörper charakterisiert werden können. So können mehrere Konversionselemente nach erzielten Farborten sortiert werden. Ein optoelektronischer Halbleiterchip weist beispielsweise einen Halbleiterkörper auf, der dazu geeignet ist,
elektromagnetische Strahlung eines ersten, bevorzugt blauen, Wellenlängenbereichs von seiner Strahlungsaustrittsfläche aus zusenden .
Weiterhin weist der optoelektronische Halbleiterchip
bevorzugt ein Konversionselement auf. Das Konversionselement ist dem Halbleiterkörper bevorzugt in dessen
Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Besonders bevorzugt ist das Konversionselement auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht. Das Konversionselement ist hierbei besonders bevorzugt derart angeordnet, dass die
Konversionsschicht der Strahlungsaustrittsfläche des
Halbleiterkörpers zugewandt ist.
Besonders bevorzugt ist das Konversionselement mit einer transparenten Fügeschicht auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers befestigt. Die transparente Fügeschicht steht hierbei bevorzugt in direktem Kontakt mit der
Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers und der
Konversionsschicht des Konversionselementes. Die transparente Fügeschicht ist besonders bevorzugt durchlässig für
sichtbares Licht und insbesondere frei von
wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Beispielsweise ist die transparente Fügeschicht aus Silikon gebildet oder weist ein Silikon auf. Die transparente Fügeschicht ist besonders bevorzugt nicht dicker als 5 Mikrometer. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 1 bis 3 wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips gemäß einem Ausführungsbeispiel erläutert, wobei Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines fertigen optoelektronischen Halbleiterchips gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines
Konversionselements gemäß einem
Ausführungsbeispiel .
Figur 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Anhand der Figuren 7 bis 10 werden Leuchtstoffe näher
erläutert, wie sie vorliegend eingesetzt werden können .
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu
betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 wird zunächst ein Halbleiterkörper 1 bereitgestellt.
Der Halbleiterkörper 1 weist eine aktive Zone 2 auf, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereiches von einer Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 auszusenden (Figur 1) . Der
Halbleiterkörper 1 emittiert vorliegend blaues Licht mit einer Dominantwellenlänge von 450 Nanometer. Der
Halbleiterkörper 1 basiert vorliegend auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial . Nitrid- Verbindungshalbleitermaterialien sind
Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGai-x-yN mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1.
In einem nächsten Schritt werden Leuchtstoffpartikel 4 in ein Fügematerial, etwa ein Silikon, eingebracht (nicht
dargestellt) . Die Leuchtstoffpartikel 4 weisen vorliegend einen CaAlSiN-Leuchtstoff auf oder sind aus einem CaAlSiN- Leuchtstoff gebildet. Der CaAlSiN-Leuchtstoff entspricht beispielsweise der Formel ( Sr, Ca) AIS1N3 und ist dazu
geeignet, blaues Licht, das von dem Halbleiterkörper 1 ausgesandt wird, in rotes Licht mit einer Dominantwellenlänge von 603 Nanometer umzuwandeln. Der Durchmesser der
Leuchtstoffpartikel 4 übersteigt 20 Mikrometern nicht. Das Fügematerial mit den LeuchtstoffPartikeln 4 wird als Schicht 5 auf die Strahlungsaustrittsfläche 3 des
Halbleiterkörpers 1 aufgebracht, beispielsweise durch Sprühen (Figur 2 ) . Anschließend wird ein keramisches oder einkristallines
Konversionsplättchen 6 auf die Schicht 5 aus dem Fügematerial mit den LeuchtstoffPartikeln 4 aufgesetzt. Das
Konversionsplättchen 6 ist dazu geeignet, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, also vorliegend blaues Licht des Halbleiterkörpers 1, in grüne oder grün-gelbe Strahlung umzuwandeln . Schließlich wird das Fügematerial ausgehärtet und es entsteht eine wellenlängenkonvertierende Fügeschicht 7, die den
Halbleiterkörper 1 mechanisch stabil mit dem
Konversionsplättchen 6 verbindet (Figur 3) . Die
wellenlängenkonvertierende Fügeschicht 7 weist eine Dicke von zirka 20 Mikrometer auf. Die Konzentration der
Leuchtstoffpartikel 4 innerhalb der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7 beträgt vorliegend zirka 54 Gew% . Das Konversionsplättchen 6 ist aus einem Leuchtstoff mit der folgenden Formel gebildet oder weist einen Leuchtstoff mit der folgenden Formel auf: LU3AI5O12 : Ce3+, wobei der Cer-Gehalt 1 mol-% beträgt. Der optoelektronische Halbleiterchip gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 3 sendet im Betrieb
mischfarbige Strahlung aus, die aus primärem blauem Licht des Halbleiterkörpers 1, durch die Leuchtstoffpartikel 4
konvertiertem rotem Licht sowie durch das
Konversionsplättchen 6 konvertiertem grünem/grün-gelbem Licht besteht. Der CRI-Wert ("Color Rendering Index" für
Farbwiedergabewert) dieses Lichtes beträgt in etwa 92.
Besonders bevorzugt weist das mischfarbige Licht einen Farbort im warmweißen Bereich der CIE-Normfarbtafel von beispielsweise 2700 K auf.
Eine Simulation der Temperatur an einer Hauptfläche 8 der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7 unter Annahme einer Umgebungstemperatur von 80 °C und einer Stromdichte innerhalb des Halbleiterkörpers 1 von 2 A/mm2 ergibt einen Wert von zirka 155 °C. Diese Simulation beruht auf den
Konversionsverlusten innerhalb der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7, die in Wärme umgewandelt werden. Eine Temperatur von 155 °C liegt zwar nahe der maximal zulässigen Dauerbetriebstemperatur von
Silikon von 160 °C, jedoch noch nicht darüber. Zudem lässt sich der Halbleiterchip mit höheren Stromdichten
beaufschlagen als Halbleiterchips mit rein harzbasierten, dicken Konversionsschichten, die typischerweise maximale Stromdichten von 1 A/mm2 bis 1,5 A/mm2 aufweisen. Daher ist der optoelektronische Halbleiterchip gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 3 nicht nur dazu geeignet, warmweißes Licht effizient mit einem hohen
Farbwiedergabeindex und hoher Leuchtdichte auszusenden, sondern weist darüber hinaus auch eine hohe Lebensdauer auf.
Der optoelektronische Halbleiterchip gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist im Unterschied zu dem optoelektronischen Halbleiterchip gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 3 Leuchtstoffpartikel 4 in der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7 auf, die einen 226- Leuchtstoff aufweisen oder aus einem 226-Leuchtstoff gebildet sind. Der 226-Leuchtstoff sendet bei Anregung mit blauem Licht des Halbleiterkörpers 1 rotes Licht mit einer
Dominantwellenlänge von 601 Nanometer aus. Der Durchmesser der Leuchtstoffpartikel 4 übersteigt vorliegend 10 Mikrometer nicht. Entsprechend ist auch die Dicke der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7 nicht größer als 10 Mikrometer. Eine derartige Reduktion der Dicke der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7 wäre bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3 nicht möglich, da der Konversionsgrad des dort verwendeten CaAlSiN-Leuchtstoffes nicht ausreicht. Die Konzentration der Leuchtstoffpartikel 4 in der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7 weist vorliegend einen Wert von zirka 59 Gew% auf. Das mischfarbige Licht bestehend aus blauem Licht des Halbleiterkörpers 1, grünen/grün-gelbem Licht des Konversionsplättchens 6 und rotem Licht der Leuchtstoffpartikel 4, das von dem
Halbleiterchip gemäß der Figur 4 ausgesandt wird, weist einen CRI-Wert von zirka 93 auf.
Eine Simulation der Temperatur einer Hauptfläche 8 der wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7 des Halbleiterchips gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 4, liefert als höchsten Wert 146 °C. Dies bedeutet, dass der
optoelektronische Halbleiterchip bei einer um 10 °C höheren Umgebungstemperatur betrieben werden könnte als der
Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 3. Alternativ könnte die Stromdichte, mit dem der Halbleiterchip beaufschlagt wird, um 10 % auf 2,2 A/mm2 erhöht werden. Mit derart geänderten Werten ergibt sich jeweils eine simulierte Temperatur von 155 °C als maximale Temperatur der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht 7.
Das Konversionselement 9 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 weist ein keramisches oder einkristallines
Konversionsplättchen 6 auf, das dazu geeignet ist, Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches, bevorzugt blaues Licht, in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches, bevorzugt grünes/grün-gelbes Licht umzuwandeln. Auf eine Hauptfläche 10 des Konversionsplättchens 6 ist eine Konversionsschicht 11 aufgebracht. Die Konversionsschicht 11 ist aus einem Harz gebildet, in das Leuchtstoffpartikel 4 eingebracht sind. Die Leuchtstoffpartikel 4 sind dazu geeignet, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines dritten
Wellenlängenbereiches, vorzugsweise rotes Licht, umzuwandeln, Die Dicke der Konversionsschicht 11 weist vorliegend
besonders bevorzugt einen Wert auf, der nicht größer als 30 Mikrometer und besonders bevorzugt nicht größer als 20
Mikrometer ist.
Der optoelektronische Halbleiterchip gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 6 weist einen Halbleiterkörper 1 auf, wie er bereits anhand Figur 1 beschrieben wurde. Auf die Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 ist ein Konversionselement 9 aufgebracht, wie es anhand der Figur 5 bereits beschrieben wurde. Das Konversionselement 9 ist mit einer transparenten Fügeschicht 12, beispielsweise aus
Silikon, auf der Strahlungsaustrittsfläche 3 des
Halbleiterkörpers 1 befestigt. Die transparente Fügeschicht 12 steht hierbei sowohl in direktem Kontakt mit der
Strahlungsaustrittsfläche 3 des Halbleiterkörpers als auch mit der Konversionsschicht 11 des Konversionselementes 9. Die Dicke der transparenten Fügeschicht 12 ist besonders
bevorzugt nicht größer als 5 Mikrometer.
In Figur 7 sind wichtige Atomabstände eines 226-Leuchtstoffs Sr ( SraCai-a) S 12AI 2N6 im Detail dargestellt. Im direkten
Vergleich mit Nitriden ähnlicher Zusammensetzung, z.B.
SrAlSiN3 (ICSD 419410), CaAlSiN3 (ICSD 161796) oder
( Sr , Ca) AI S 1N3 (ICSD 163203) ist anzumerken, dass es eine etwas größere und eine etwas kleinere Umgebung um die Erdalkaliatome Sr und Ca gibt. In SrAlSiN3, CaAlSiN3 und ( Sr, Ca) AIS1N3 gibt es für die Erdalkaliatome nur eine 5-fach koordinierte Lage mit einem mittleren Sr-N-Abstand von 267 pm. In der Struktur eines 226-Leuchtstoffs Sr ( SraCai-a) S12AI2N6 bildet Sri eine 6-fach koordinierte Umgebung mit 272 pm mittlerem Srl-N-Abstand, Sr2/Ca2 bildet eine 5-fach
Koordination mit 264 pm mittlerem Sr2/Ca2-N-Abstand aus.
Anhand der Figuren 8 und 9 wird die Struktur eines 226- Leuchtstofftyps Sr ( SraCai_a) Si2Al2N6 näher erläutert. Figur 8 zeigt einen Blick auf die Schichten von Sr ( SraCai-a) S12AI2N6. Die Schichten sind von A1N abgeleitet. Die Tetraeder
symbolisieren hierbei (Si/Al) N4-Gruppen . Verglichen mit A1N fehlen einzelne Tetraeder, die durch ein Erdalkaliion (weiße Kreise für Sr alleine und schwarze Kreise für Sr/Ca gemischt) ersetzt sind. Die Tetraeder sind gegenüber A1N deutlich verzerrt. Alle Bindungslängen und Winkel sind jedoch ähnlich wie bei anderen Nitridosilikaten . Figur 9 zeigt einen 226-Leuchtstoff Sr ( SraCai-a) S12AI2N6 aus Richtung [010]. Das 3D-Raumnetz der (Si/Al) N4-Tetraeder ist deutlich erkennbar. In der a-c-Ebene verlaufen Schichten, die in jb-Richtung (nicht dargestellt) zu einem Raumnetz verknüpft sind. Dazwischen eingelagert befindet sich jeweils
schichtweise die reine Sr-Lage (als weiße Kreise dargestellt) bzw. die Sr/Ca mischbesetzte Lage (als schwarze Kreise dargestellt) .
Figur 10 zeigt zum Vergleich die literaturbekannte Struktur von (Sr0.846Ca0.2ii) AIS1N3 (ICSD 163203) aus Richtung [010].
Hier sind sämtliche Sr/Ca-Lagen (schwarz) mischbesetzt. Es gibt keine reinen Sr-Lagen. Diese Ausordnung in eine mit Sr/Ca mischbesetzte und eine allein mit Sr vollbesetzte Lage bei dem 226-Leuchtstoff Sr ( SraCai-a) Si2Al2 6 : Eu ist vorteilhaft z. B. gegenüber der Struktur von ( Sr, Ca) AI S 1N3 (vgl. Figur 10), bei dem für die Aktivatoratome (Dotierung) nur eine mischbesetzte Lage zur Verfügung steht, was zur Verbreiterung von Emission, die ja auf der Wechselwirkung zwischen dem Aktivator und dem
umgebenden Wirtsgitter basiert, und zu stärkeren
Quenchingeigenschaften führt. Die Struktur eines 226- Leuchtstoffs Sr ( SraCai-a) S 12AI2N6 : Eu bietet dem Aktivator, hier bevorzugt Eu, dagegen eine ausgeordnete Sr-Lage an, ohne Unordnung und ohne die damit verbundenen Nachteile. Die verbesserten Eigenschaften der Lumineszenz lassen sich mit dieser Struktur zwanglos erklären. Das Eu besetzt gemäß dieser Modellvorstellung überwiegend nur die reine Sr-Ebene, aber eher weniger die Mischebene.
Ausgehend von Figur 9 lässt sich auch ein Leuchtstoff mit der niedrigeren Symmetrie entsprechend der Raumgruppen 1 bis 3 der International Tables Cryst. A, also den Raumgruppen PI,
PI, P2 darstellen, indem zum Beispiel die Mischschicht in Ebenen mit unterschiedlicher Besetzung (teilweise) durch reines Sr nebst Mischbesetzung aufgespalten ist. Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2014 117 448.8, 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. Optoelektronischer Halbleiterchip mit:
- einem Halbleiterkörper (1), der dazu geeignet ist,
elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (3) auszusenden,
- einem keramischen oder einkristallinen Konversionsplättchen (6), das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist,
- einer wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht (7), die das Konversionsplättchen (6) mit der Strahlungsaustrittsfläche (3) verbindet, wobei
- die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht (7)
Leuchtstoffpartikel (4) aufweist, die dazu geeignet sind, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist, und
- die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht (7) eine Dicke von maximal 30 Mikrometer aufweist.
2. Optoelektronischer Halbleiterchip nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht (7) eine Dicke von maximal 10 Mikrometer aufweist.
3. Optoelektronischer Halbleiterchip nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs blaues Licht, die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs grünes oder grün-gelbes Licht und die Strahlung des dritten
Wellenlängenbereichs rotes Licht ist.
4. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die Leuchtstoffpartikel (4) mit Europium als
Aktivator dotiert sind, wobei die Konzentration des Europiums mindestens 1 mol% ist.
5. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der obigen Ansprüche,
- bei dem Leuchtstoffpartikel (4) mit Europium als Aktivator dotiert sind, wobei die Konzentration des Europiums
mindestens 1 mol% ist,
- und die wellenlängenkonvertierende Fügeschicht (7) eine Dicke von maximal 15 Mikrometer aufweist.
6. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die Leuchtstoffpartikel (4) in der
wellenlängenkonvertierenden Fügeschicht (7) eine
Konzentration zwischen einschließlich 50 Gew% und
einschließlich 70 Gew% aufweist.
7. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der obigen Ansprüche,
der mischfarbige Strahlung aus Strahlung des ersten, des zweiten und des dritten Wellenlängenbereich aussendet, wobei die mischfarbige Strahlung einen Farbort im warmweißen
Bereich liegt.
8. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterchips nach einem der obigen Ansprüche mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Fügematerials, in das
Leuchtstoffpartikel (4) eingebracht sind,
- Aufbringen des Fügematerials mit den LeuchtstoffPartikeln (4) auf eine Strahlungsaustrittsfläche (3) eines
Halbleiterkörpers (1) oder auf eine Hauptfläche des
keramischen oder einkristallinen Konversionsplättchens (6), - Aufsetzten eines keramischen oder einkristallinen
Konversionsplättchens (6) oder des Halbleiterkörpers (1) auf das Fügematerial, und
- Aushärten des Fügematerials.
9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem das Fügematerial mit den LeuchtstoffPartikeln (4) aufgesprüht oder aufgedruckt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei dem als Fügematerial eine vorvernetzte Konversionsfolie verwendet wird .
11. Konversionselement (9) mit:
- einem keramischen oder einkristallinen Konversionsplättchen (6), das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische
Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist, und
- einer Konversionsschicht (11), die aus einem Harz gebildet ist, in das Leuchtstoffpartikel (4) eingebracht sind, wobei
- die Konversionsschicht (11) auf eine Hauptfläche (10) des Konversionsplättchens (7) aufgebracht ist, - die Leuchtstoffpartikel (4) dazu geeignet sind, Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten und zweiten Wellenlängenbereich verschiedenen, dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, und
die Konversionsschicht (11) eine Dicke aufweist, die nicht größer ist als 30 Mikrometer.
12. Konversionselement (9) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Leuchtstoffpartikel (4) mit Europium als
Aktivator dotiert sind, wobei die Konzentration des Europiums mindestens 1 mol% ist.
13. Optoelektronischer Halbleiterchip mit:
- einem Halbleiterkörper (1), der dazu geeignet ist,
elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (3) auszusenden,
- einem Konversionselement (9) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, das mit einer transparenten Fügeschicht (12) auf die Strahlungsaustrittsfläche (3) des Halbleiterkörpers (1) aufgebracht ist.
14. Optoelektronischer Halbleiterchip nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die transparente Fügeschicht (12) nicht dicker ist als 5 Mikrometer.
15. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der
Ansprüche 13 bis 14,
bei dem das Konversionselement (9) derart angeordnet ist, dass die Konversionsschicht (11) der
Strahlungsaustrittsfläche (3) des Halbleiterkörpers (1) zugewandt ist.
PCT/EP2015/077637 2014-11-27 2015-11-25 Optoelektronischer halbleiterchip, verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchips, konversionselement und leuchtstoff für ein konversionselement Ceased WO2016083448A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112015005366.2T DE112015005366A5 (de) 2014-11-27 2015-11-25 Optoelektronischer Halbleiterchip, Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips, Konversionselement und Leuchtstoff für ein Konversionselement
US15/531,349 US10418530B2 (en) 2014-11-27 2015-11-25 Optoelectronic semiconductor chip, method for producing an optoelectronic semiconductor chip, conversion element and phosphor for a conversion element

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014117448.8 2014-11-27
DE102014117448.8A DE102014117448A1 (de) 2014-11-27 2014-11-27 Optoelektronischer Halbleiterchip, Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips, Konversionselement und Leuchtstoff für ein Konversionselement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016083448A1 true WO2016083448A1 (de) 2016-06-02

Family

ID=54707766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/077637 Ceased WO2016083448A1 (de) 2014-11-27 2015-11-25 Optoelektronischer halbleiterchip, verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchips, konversionselement und leuchtstoff für ein konversionselement

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10418530B2 (de)
DE (2) DE102014117448A1 (de)
WO (1) WO2016083448A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112470280A (zh) * 2018-06-28 2021-03-09 艾利迪公司 发光器件、相关的显示屏以及制造发光器件的方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016535800A (ja) * 2013-10-08 2016-11-17 オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＯｓｒａｍ Ｏｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨ 蛍光体、蛍光体の製造方法及び蛍光体の使用
DE102017101729A1 (de) * 2017-01-30 2018-08-02 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierende Vorrichtung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110133631A1 (en) * 2008-08-11 2011-06-09 Osram Gesellschaft Mit Beschraenkter Haftung Conversion led
US20140008683A1 (en) * 2010-12-03 2014-01-09 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for Producing a Semiconductor Chip Emitting Radiation, Semiconductor Chip Emitting Radiation, and Component Emitting Radiation
WO2014013406A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-23 Koninklijke Philips N.V. Led with ceramic green phosphor and protected red phosphor layer

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4422653B2 (ja) * 2004-07-28 2010-02-24 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 蛍光体およびその製造方法、並びに光源
CN100486397C (zh) * 2005-04-19 2009-05-06 皇家飞利浦电子股份有限公司 包括红色发射陶瓷发光转换器的照明系统
WO2007018260A1 (ja) * 2005-08-10 2007-02-15 Mitsubishi Chemical Corporation 蛍光体及びそれを用いた発光装置
CN102428582B (zh) 2009-05-15 2015-03-04 株式会社小糸制作所 发光模块、发光模块的制造方法及灯具单元
US9318669B2 (en) * 2012-01-30 2016-04-19 Cree, Inc. Methods of determining and making red nitride compositions
DE102012107290A1 (de) * 2012-08-08 2014-02-13 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Halbleiterbauteil, Konversionsmittelplättchen und Verfahren zur Herstellung eines Konversionsmittelplättchens
DE102012110552A1 (de) * 2012-11-05 2014-05-08 Osram Opto Semiconductors Gmbh Konverterelement, optoelektronisches Bauelement mit einem derartigen Konverterelement und Verfahren zum Herstellen eines Konverterelements
JP2016535800A (ja) * 2013-10-08 2016-11-17 オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＯｓｒａｍ Ｏｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨ 蛍光体、蛍光体の製造方法及び蛍光体の使用
JP2015211202A (ja) * 2014-04-30 2015-11-24 株式会社東芝 発光装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110133631A1 (en) * 2008-08-11 2011-06-09 Osram Gesellschaft Mit Beschraenkter Haftung Conversion led
US20140008683A1 (en) * 2010-12-03 2014-01-09 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for Producing a Semiconductor Chip Emitting Radiation, Semiconductor Chip Emitting Radiation, and Component Emitting Radiation
WO2014013406A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-23 Koninklijke Philips N.V. Led with ceramic green phosphor and protected red phosphor layer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112470280A (zh) * 2018-06-28 2021-03-09 艾利迪公司 发光器件、相关的显示屏以及制造发光器件的方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20170358718A1 (en) 2017-12-14
DE102014117448A1 (de) 2016-06-02
DE112015005366A5 (de) 2017-08-03
US10418530B2 (en) 2019-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112014004933T5 (de) Wellenlängenumwandlungselement, Verfahren zur Herstellung und Licht emittierender Halbleiterbauteil, welcher dasselbe aufweist
WO2010020495A1 (de) Alpha-sialon-leuchtstoff
EP1670876B1 (de) Hocheffizienter leuchtstoff
DE102011113962B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines keramischen Konversionselements
WO2015091388A1 (de) Konversionselement, verfahren zur herstellung eines konversionselements, optoelektronisches bauelement umfassend ein konversionselement
WO2019091774A1 (de) Beleuchtungsvorrichtung und verwendung einer beleuchtungsvorrichtung
DE102018108842A1 (de) Leuchtstoffkombination, Konversionselement, optoelektronische Vorrichtung
DE112016004313T5 (de) Stabile rote Keramikleuchtstoffe und Technologien mit diesen Keramikleuchtstoffen
WO2019068521A1 (de) Leuchtstoffmischung, konversionselement und optoelektronisches bauelement
DE10147040A1 (de) Beleuchtungseinheit mit mindestens einer LED als Lichtquelle
WO2013060570A1 (de) Optoelektronisches halbleiterbauteil und streumittel
WO2020083908A1 (de) Roter leuchtstoff und konversions-led
DE102011113498A1 (de) Leuchtstoffmischung, optoelektronisches Bauelement mit einer Leuchtstoffmischung und Straßenlaterne mit einer Leuchtstoffmischung
DE102013106575B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend ein Konversionselement
DE102014117448A1 (de) Optoelektronischer Halbleiterchip, Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips, Konversionselement und Leuchtstoff für ein Konversionselement
DE112019003634T5 (de) Optoelektronisches bauelement und das verfahren zur herstellung eines optoeklektronischen bauelements
DE102011014958A1 (de) Gelbe Fluorosulfidleuchtstoffe für eine lichtemittierende Diode und deren Herstellungsverfahren
WO2019238496A1 (de) Gelber leuchtstoff und beleuchtungsvorrichtung
WO2024033022A1 (de) Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs und strahlungsemittierendes bauelement
WO2019115462A1 (de) Leuchtstoffmischung, konversionselement und optoelektronisches bauelement
WO2020169479A1 (de) Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs und optoelektronisches bauelement
DE102021203336A1 (de) Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs und strahlungsemittierendes bauelement
DE102016115924B4 (de) Leuchtstoff
WO2014184003A1 (de) Verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs, leuchtstoff und optoelektronisches bauelement
DE112014006750B4 (de) Leuchtstoff, Licht-emittierende Vorrichtung enthaltend einen Leuchtstoff und Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15801759

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15531349

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 112015005366

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112015005366

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15801759

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1