WO2018050543A1 - Optoelektronisches bauelement - Google Patents

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WO2018050543A1
WO2018050543A1 PCT/EP2017/072491 EP2017072491W WO2018050543A1 WO 2018050543 A1 WO2018050543 A1 WO 2018050543A1 EP 2017072491 W EP2017072491 W EP 2017072491W WO 2018050543 A1 WO2018050543 A1 WO 2018050543A1
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WO
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quantum dots
shell
core
optoelectronic component
inclusive
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PCT/EP2017/072491
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Tansen Varghese
David O'brien
Georg ROSSBACH
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • Optoelectronic component The invention relates to an optoelectronic component comprising a conversion element.
  • LEDs Light emitting diodes
  • Converter materials convert the primary radiation emitted by a radiation source into secondary radiation with an altered, for example, longer, wavelength. It is known to use quantum dots as converter materials to monochromatic or polychromatic light, for
  • Quantum dots a narrow spectral half width at half the height of the maximum (FWHM, Med Width Half Maximum) of the emitted radiation can be achieved.
  • the use of quantum dots makes it possible to vary the peak wavelength of the emission radiation very easily.
  • the layer thickness of the quantum dots usually the layer thickness of the quantum dots.
  • Ti02 _ particles in the conversion element brought in.
  • the best optical properties in light-emitting diodes to date are cadmium-containing
  • Concentration of cadmium-containing quantum dots is problematic because they may not be used in any concentration due to the toxicity of cadmium.
  • the optoelectronic component comprises a
  • the optoelectronic component comprises a conversion element, which in the beam path of the
  • the conversion element comprises quantum dots that are added
  • the quantum dots have a diameter of from 50 nm to 500 nm inclusive, preferably from 100 nm to 500 nm inclusive, more preferably from 120 nm to 500 nm inclusive.
  • the quantum dots comprise a core and a shell surrounding or consisting of a core and a shell.
  • Diameters of the quantum dots therefore refer to the diameter of the quantum dots including core and shell.
  • the quantum dots have a spherical or nearly spherical geometry.
  • all quantum dots have a diameter of from 50 nm to 500 nm inclusive, preferably from 100 nm to 500 nm inclusive, more preferably from 120 nm to 500 nm inclusive,
  • quantum dots with a core and a cladding in a conversion element of an optoelectronic component have a diameter of less than 30 nm.
  • the inventive choice of the diameter of the quantum dots of from 50 nm to 500 nm inclusive can be
  • Quantum dots are lowered in the conversion element. It also increases the elastic scattering and thus increases the more or less random change in direction of the primary and secondary radiation, resulting in improved efficiency. Due to the light scattering of the primary and the
  • Quantum dots with a diameter below 50 nm show too little and almost no or negligible scattering effect below 30 nm.
  • quantum dots at least partially the electromagnetic primary radiation in an electromagnetic
  • Secondary radiation can, on the one hand, mean that the electromagnetic primary radiation is at least partially absorbed by the quantum dots and, as secondary radiation, at least partially absorbed by the primary radiation
  • the electromagnetic primary radiation and electromagnetic secondary radiation may be one or more wavelengths and / or
  • Convert electromagnetic primary radiation into an electromagnetic secondary radiation can also mean that the electromagnetic primary radiation is almost completely absorbed by the quantum dots and in the form of a
  • Optoelectronic component according to this embodiment thus corresponds almost completely to the electromagnetic secondary radiation. Nearly complete conversion is over 90% conversion, especially over 95%
  • the device emits a mixed radiation of primary radiation and secondary radiation, which awakens a white-colored light impression in the viewer.
  • the primary radiation source is a layer sequence with an active layer, which is set up to emit an electromagnetic primary radiation during operation of the component.
  • the layer sequence may be a
  • Semiconductor device such as a light emitting diode
  • layer sequence is to be understood as meaning a layer sequence comprising more than one layer, for example a sequence of a p-doped and an n-doped semiconductor layer, wherein the layers
  • the layer sequence can be used as an epitaxial layer sequence or as a radiation-emitting semiconductor chip with a
  • the layer sequence can be implemented, for example, on the basis of InGaAlN. InGaAlN-based semiconductor chips and
  • Semiconductor layer sequences are in particular those in which the epitaxially produced semiconductor layer sequence has a layer sequence of different individual layers
  • Semiconductor layer sequences which comprise at least one InGaAlN-based active layer can, for example, emit electromagnetic primary radiation in an ultraviolet to green wavelength range.
  • an ultraviolet or blue, preferably a primary radiation in the blue wavelength range can, for example, emit electromagnetic primary radiation in an ultraviolet to green wavelength range.
  • the active semiconductor layer sequence can contain, in addition to the active layer, further functional layers and functional layers
  • Areas include, such as p- or n-doped
  • Charge carrier transport layers ie electron or
  • Barrier layers planarization layers, buffer layers, protective layers and / or electrodes and combinations thereof. Furthermore, for example, on a the
  • Semiconductor layer sequence may be applied one or more mirror layers.
  • Quantum dots form a nucleus and a shell.
  • the core is designed to absorb the primary radiation, in particular with high quantum efficiency, and to emit secondary radiation.
  • the core may have a diameter of from 1 nm to 20 nm inclusive, preferably from 1 nm to 10 nm inclusive, more preferably from 2 nm to 8 nm inclusive, and the sheath may have a thickness of 15 nm to 249 inclusive inclusive. 5 nm, preferably from 20 nm to 249.5 nm inclusive, more preferably from 21 nm to 249 nm inclusive.
  • the quantum dots have a diameter of from 50 nm to 500 nm inclusive. At such thicknesses of the shell, the cores of the quantum dots are sufficiently isolated from each other to have an optimum
  • the casing is designed to transport the charge carriers from or through the casing into the core and, on the other hand, serves as one
  • the shell completely surrounds the core. This means that the surface of the core is completely covered by the shell.
  • the core and the sheath are in direct contact with each other.
  • the core comprises or consists of a semiconductor material, preferably a II / VI, IV / VI, III / V-II 3 / V 2 , I / III / VI 2 , IV or I 2 / VI semiconductor material from the semiconductor material, preferably a II / VI or III / V semiconductor material.
  • a semiconductor material preferably a II / VI, IV / VI, III / V-II 3 / V 2 , I / III / VI 2 , IV or I 2 / VI semiconductor material from the semiconductor material, preferably a II / VI or III / V semiconductor material.
  • the core comprises CdSTe, CdSeTe, CdHgTe, HgTe, PbS, PbSSe, PbSe, PbTe, CulnP, InPAs, InAs, Cd 3 P 2 , Cd 3 As 2 , CuInS 2 , CuInSe 2 , AgInS 2 , Ge, Ag 2 S, Ag 2 Se, Ag 2 Te, InP, CdS, CdSe, InGaAs, InGaP, InGaSb, CdTe, InGaN or CuInSe2, preferably CdSTe, CdSeTe, CdHgTe, Cd 3 P 2 , Cd 3 As 2 CdS, CdSe, CdTe or alloys of these materials or consists of these materials or alloys of these materials.
  • the shell comprises a material or consists of a material which has a higher
  • Bandgap has as the material of the core. This allows the charge carriers to be held in the core as they are
  • the moisture- and oxygen-sensitive core can be effectively protected by the shell from these influences.
  • the material of the shell is dielectric.
  • the sheath comprises at least a first sheath comprising a semiconductor material or an insulator, preferably ZnS, ZnSe, CdS, ZnTe,
  • ZnS, ZnSe, CdS, ZnTe, AlGaAs and GaN are semiconductor materials and S1O 2, Al 2 O 3, S1 3 N 4 and T1O 2 are insulators.
  • the case can also be made from the first case
  • Form material of the shell or first shell Form material of the shell or first shell.
  • the first shell serves to passivate nonradiative charge carrier recombination paths at the core surface by avoiding free bonds of the semiconductor material of the core.
  • the first shell has a thickness between 15 nm inclusive and inclusive
  • the first shell in addition to the core in particular for the absorption of
  • the first shell Primary radiation at. Especially at these thicknesses of The first shell is the charge transport of charge carriers from the shell to the core is particularly effective.
  • the sheath comprises a second sheath.
  • the sheath according to this embodiment comprises a first and a second sheath.
  • the shell can also consist of the first and the second shell.
  • this includes
  • the Conversion element a matrix material.
  • the matrix material may be, for example, a silicone, a polymethyl methacrylate or an epoxy resin.
  • the quantum dots in the matrix material are distributed homogeneously or almost homogeneously.
  • the homogeneous distribution contributes to an improvement of the quantum dots in the matrix material
  • the material of the first shell has a material which has a refractive index n.sub.10 which is smaller or larger than that of the matrix material, in order to ensure a scattering of the radiation.
  • the second shell may comprise a material or consist of a material having a refractive index n ⁇ O which is smaller or larger, preferably larger, than that of the
  • Matrix material is.
  • a silicone with a refractive index of 1.5 is used.
  • material for the second shell materials can be any material.
  • Metal oxides, insulators and semiconductors with a larger band gap than the wavelength of the primary and / or secondary radiation are metal oxides, insulators and semiconductors with a larger band gap than the wavelength of the primary and / or secondary radiation.
  • the first sheath over the core and the second sheath over the first sheath are arranged.
  • the first shell completely surrounds the core and the second shell completely surrounds the first shell.
  • the core and the first sheath and the first sheath and the second sheath are in direct contact with each other.
  • the core is bonded to the second shell by chemical bonds to the first shell and / or the first shell by chemical bonds. If the first shell contributes to the absorption of the primary radiation, then the first shell has a layer thickness between
  • the material of the second shell preferably has good
  • the second shell thus serves to passivate nonradiative charge carrier recombination paths on the surface of the first shell by avoiding free bonds of the material of the first shell.
  • the second shell serves to increase the scatter without affecting the electrical properties.
  • the material of the second shell is a metal halide, a metal oxide or a metal phosphite.
  • the material of the second shell selected from a group 1O2, S1O2 ⁇ 1 2 ⁇ 3 ⁇ MgF 2, Hf 2 0 5, Nb 2 0 5, Ta 2 0 5, Zr0 2, GaN, Si 3 N 4 and GaP includes. Preferred are T1O2 and / or ⁇ 2 ⁇ 3_ these
  • materials exhibit low absorption at the primary radiation and secondary radiation wavelengths.
  • the second shell can consist of several partial casings, in particular of two partial casings.
  • the first and the second exist
  • Partial cover made of different materials.
  • the first part shell of T1O2 having a refractive index on v 2.4 and the second partial shell of AI2O3 with a
  • the first partial shell may preferably completely surround the first shell and the second partial shell the first partial shell.
  • the first sheath and the first sub-sheath and the first sub-sheath and the second sub-sheath in direct contact with each other.
  • the core has a diameter of from 1 nm to 20 nm inclusive, preferably from 1 nm to 10 nm inclusive, more preferably from 2 nm to 20 nm inclusive
  • the shell comprising the first shell and the second shell has a thickness of from 15 nm to 249.5 nm inclusive, preferably from 20 nm to 249.5 nm inclusive,
  • the first shell may have a thickness of from 2 nm to 150 nm inclusive, preferably between 15 nm and 50 nm inclusive, and the second shell may have a thickness of 20 nm to 150 nm inclusive.
  • the quantum dots have a diameter of from 50 nm to 500 nm inclusive.
  • Quantum dots first and second quantum dots.
  • Diameter of the first and second quantum dots differ from each other.
  • first and second quantum dots with different diameters which are both between 50 nm and 500 nm inclusive
  • the optimum scattering effect for a blue primary radiation and a secondary radiation in the green to red region of the electromagnetic spectrum can be adjusted. It has been shown that the scattering of blue light at a
  • Primary radiation can be achieved by varying the diameter of the
  • Quantum dots are set so that the primary radiation is efficiently absorbed by the quantum dots.
  • the first quantum dots may have a diameter of from 50 nm to 80 nm inclusive and the second quantum dots one
  • the optoelectronic component may comprise a housing.
  • a recess may be present in the middle.
  • the primary radiation source may be mounted in the recess. It is also possible that the recess with a covering the primary radiation source potting
  • the recess can also be from a
  • Airspace exist. In accordance with at least one embodiment, this is
  • Conversion element formed as a plate which is disposed over the primary radiation source.
  • the wafer may be directly in mechanical contact with the primary radiation source or spaced therefrom.
  • the layer thickness of the entire plate can be uniform. Thus, a constant color location can be achieved over the entire surface of the platelet.
  • the layer thickness is between 500 nm and 500 ym.
  • the platelet may be applied directly to the primary radiation source according to at least one embodiment. It is possible that the wafer covers the entire surface of the primary radiation source.
  • the wafer is above the wafer
  • Embodiment of the conversion element is no direct and / or positive contact of the conversion element with the primary radiation source. That is, between the conversion element and the primary radiation source a
  • Conversion element and the primary radiation source can then be formed a potting or an air gap.
  • an adhesive layer is disposed between the primary radiation source and the wafer or between the wafer and the housing. additionally
  • an adhesive layer can be arranged between the platelet and the potting.
  • the plate is made separately and applied to the primary radiation source.
  • an adhesive layer for fixing the plate on the layer sequence or the housing may be applied.
  • the adhesive layer comprises a silicone or consists of a silicone.
  • the wafer is fabricated directly on the primary radiation source or the housing. This proves especially for small plates
  • the conversion element is part of a casting of the primary radiation source, for example the Layer sequence or the conversion element forms the
  • the conversion element is formed as a layer.
  • the layer can over the
  • the optoelectronic component can be a light emitting diode (LED).
  • FIGS 1 and 2 show schematic side views
  • FIG. 3 shows the influence of the diameter of
  • Titanium dioxide particles on the scattering properties Titanium dioxide particles on the scattering properties
  • FIGS. 4A, 4B and 4C show quantum dots
  • FIG. 5A shows the relative efficiency as a function of the concentration of titanium dioxide particles or of the concentration of conventional quantum dots
  • FIG. 5B shows the relative efficiency as a function of the radius of the quantum dots and the concentration of the
  • Quantum dots are the same or equivalent components each with the same
  • the optoelectronic component 1 shows a carrier 5 with a leadframe 6.
  • a layer sequence 2 is arranged on the carrier 5 and is electrically connected to the leadframe 6 via bonding wires 7.
  • bonding wires 7 Above the
  • Layer sequence 2 is a conversion element 3 in the form of a small plate attached.
  • the conversion element 3 comprises
  • Quantum dots 3a and a matrix material, wherein the
  • Quantum dots 3a are homogeneously distributed in the matrix material.
  • the matrix material is a silicone.
  • quantum dots 3a have a core of CdSe and a first shell of CdS.
  • the quantum dots have a diameter of 80 nm.
  • the core 9 has a diameter of 4 nm and the shell has a thickness of 38 nm.
  • the small plate is arranged in the beam path of the electromagnetic primary radiation which is emitted by an active layer (not shown separately here) in the layer sequence 2.
  • Quantum dots 3a the primary radiation to the
  • Quantum dots are effectively scattered. Due to the effective scattering of the primary radiation at the quantum dots 3a, the absorption probability of the primary radiation is increased by the quantum dots 3a and thus the yield
  • the secondary radiation emitted from the quantum dots 3a is scattered by the quantum dots 3a, so that they are effectively outward to the environment can be disconnected.
  • the quantum dots 3a thus serve according to the invention, on the one hand, as scattering particles for the effective scattering of the primary radiation as well as of the secondary radiation and also for the conversion of the primary radiation. This can be less to achieve a desired light output
  • Quantum dots 3a are used as conventional. The
  • Concentration of quantum dots 3a can therefore be kept low. This is especially true for cadmium-containing quantum dots 3a
  • Quantum dots since the cadmium concentration must not exceed certain limit values under the provisions of REACH and ROHS. Through the shell can be avoided that the cores of the quantum dots 3 a spatially come too close, which energy loss would result by non-radiative processes. In addition, the sheath serves to suppress non-radiative recombination of charge carriers on the surface of the core (passivation). In addition, the quantum dots 3a are protected by the shell from moisture and oxygen.
  • optoelectronic component 1 can be prevented and the life of the optoelectronic component 1 can be extended.
  • the adhesive layer may comprise or consist of silicone, for example. It is possible that that
  • Silicone of the adhesive layer corresponds to the silicone of the matrix material of the conversion element 3.
  • the optoelectronic component 1 according to FIG. 2 shows a carrier 5 with a lead frame 6 and a housing 8.
  • the housing 8 has a recess in the middle, in which the layer sequence 2 is arranged, which is electrically conductively connected to the lead frame 6.
  • the recess is filled with a potting 4.
  • the potting 4 comprises
  • a silicone for example, a silicone.
  • the conversion element 3 is in the form of a small plate and is in the
  • the conversion element 3 comprises quantum dots 3 a and a silicon as matrix material, the quantum dots 3 a being homogeneously distributed in the silicone.
  • the quantum dots 3a have, for example, a core of InP, a first shell of GaP, and a second shell of ZrO2.
  • the silicone has a different index of refraction than the ZrO2 of the second shell.
  • the primary and the secondary radiation can be scattered efficiently.
  • FIG. 3 shows the influence of the diameter of
  • FIG. 4A shows a quantum dot 3a. This has a core 9, for example made of CdSe, and a first shell 10a made of CdS.
  • the quantum dots 3a have a diameter d of from 50 nm to 500 nm inclusive,
  • the core 9 has a
  • FIG. 4B shows a quantum dot 3a.
  • This has a core 9, for example of CdSe, a first shell 10a of CdS and a second shell of Ti02.
  • the quantum dots 3a have a diameter d of up to and including 50 nm
  • the core 9 has a diameter of from 1 nm to 20 nm inclusive, and the shell 10 has a layer thickness of 25 nm to 249.5 nm inclusive.
  • the first shell 10a has a thickness of from 2 nm to 150 nm inclusive , The first shell
  • FIG. 4B shows a quantum dot 3a.
  • This has a core 9, for example made of CdSe, a first shell 10a of CdS and a second shell.
  • the second shell 10b has a first partial shell 10b-1 made of TiO2 and a second partial shell 10b-1 made of Al2O3.
  • the quantum dots 3a have a diameter d including 50 nm to 500 nm inclusive.
  • the core 9 in this case has a diameter of from 1 nm to 20 nm inclusive, and the shell 10 has a layer thickness including 15 nm to and including 249.5 nm.
  • the first shell 10a has a thickness of 15 nm inclusive inclusive to 150 nm inclusive.
  • the diagrams of FIGS. 5A and 5B were simulated with the program "LightTools".
  • the simulation based optoelectronic components have a conventional housing with a semiconductor chip, which has a
  • Matrix material made of high refractive silicone with a
  • Refractive index of the quantum dots according to the invention which consist of a core, a first and a second shell corresponds to an average refractive index of the materials of the quantum dots. This approximation of the refractive index of the quantum dots according to the invention is justified since the
  • Wavelength of the light is.
  • the diameter of the quantum dots up to and including the first shell was in this case.
  • the stated relative efficiency refers to the emitted power of the semiconductor chip at 450 nm.
  • the diagram of FIG. 5A relates to a conventional device with a conversion element in which TiO 2 particles with a diameter of 200 nm and quantum dots with a diameter of 10 nm are homogeneously distributed in a matrix material of high refractive index silicon. It can be seen that the relative efficiency E initially increases with the concentration of TiO 2 particles (c (TiO 2)) until an optimum
  • Concentration (about 10 ⁇ Ti02 particles per mm ⁇ ) is achieved, which results from an interaction between increased optical outcoupling, backscattering and reabsorption. Due to the scattering of the primary radiation at the 1O2
  • the primary radiation lays an average of a longer distance in the conversion element, whereby the probability of absorption by the quantum dots increases.
  • the optimum concentration of TiO 2 particles about 20% less conventional quantum dots can be used to increase efficiency by about 3%
  • Internal quantum efficiency means the number of emitted photons of the secondary radiation per number of absorbed photons of the primary radiation. The internal quantum efficiency thus describes the loss
  • the losses of internal quantum efficiency can be enhanced by reabsorption processes of the secondary radiation.
  • the efficiency of this device can be maintained by the presence of the TiO 2 particles, if about 40% less conventional quantum dots are used compared to a conversion element without TiO 2 particles.
  • FIG. 5B The diagram of FIG. 5B relates to FIG
  • Optoelectronic component with a conversion element in which quantum dots of different radius (r) are homogeneously distributed in a matrix material of high refractive index silicon having a refractive index n ⁇ O of 1 53.
  • the radius corresponds to half the diameter.
  • the quantum dots have a core, a first shell of CdS and a second shell of TiO 2 with a refractive index n ⁇ O of 2.4
  • Quantum dots according to the invention can be used in comparison to a conversion element with conventional quantum dots, which have a diameter below 20 nm. The efficiency of this device can be conserved compared to a device with conventional quantum dots when using about 75% fewer quantum dots. Compared to that 5A, this means one
  • Quantum dots are an essential criterion for the components to bring them on the market at all.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement umfassend eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren und ein Konversionselement, das im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist, angegeben. Das Konversionselement umfasst Quantenpunkte, die dazu eingerichtet sind, im Betrieb des Bauelements zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren. Die Quantenpunkte weisen einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm auf.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement umfassend ein Konversionselement.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 117 189.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise
lichtemittierende Dioden (LEDs) weisen häufig
Konversionselemente mit einem Konvertermaterial auf.
Konvertermaterialien wandeln die von einer Strahlungsquelle emittierte Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung mit veränderter, beispielsweise längerer, Wellenlänge um. Es ist bekannt, Quantenpunkte als Konvertermaterialien einzusetzen, um monochromatisches oder polychromatisches Licht, zum
Beispiel weißes Licht, zu erzeugen. Quantenpunkte weisen zahlreiche Vorteile im Vergleich zu konventionellen
Konvertermaterialien auf. Beispielsweise kann mit
Quantenpunkten eine schmale spektrale Halbwertsbreite auf halber Höhe des Maximums (FWHM; Füll Width Half Maximum) der emittierten Strahlung erreicht werden. Zudem ist es durch den Einsatz von Quantenpunkten möglich, die Peakwellenlänge der Emissionsstrahlung sehr leicht zu variieren. Um die
Absorption der von der Strahlungsquelle emittierten
Primärstrahlung und die Lichtemission der Quantenpunkte zu erhöhen, werden üblicherweise die Schichtdicke des
Konversionselements und die Konzentration an
Konverterpartikeln erhöht und Streupartikel wie
beispielsweise Ti02_Partikel in das Konversionselement eingebracht. Die bislang besten optischen Eigenschaften in lichtemittierenden Dioden werden mit Cadmium-haltigen
Quantenpunkten erzielt. Insbesondere die Erhöhung der
Konzentration an Cadmium-haltigen Quantenpunkten ist dabei problematisch, da diese aufgrund der Toxizität des Cadmiums nicht in beliebiger Konzentration eingesetzt werden dürfen.
Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement mit einem Konversionselement umfassend Quantenpunkte mit einem
effizienzverbesserten Konversionsprozess beziehungsweise mit höherer Materialeffizienz bereitzustellen. Unter einer verbesserten Materialeffizienz ist dabei insbesondere die gleiche Energieeffizienz und der gleiche Konversionsgrad durch Einsatz einer geringeren Konzentration an
Quantenpunkten als herkömmlich zu verstehen.
Die Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen sowie Weiterbildungen der
vorliegenden Erfindung sind in den jeweils abhängigen
Ansprüchen angegeben.
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst eine
Primärstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren. Zudem umfasst das optoelektronische Bauelement ein Konversionselement, das im Strahlengang der
elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist. Das Konversionselement umfasst Quantenpunkte, die dazu
eingerichtet sind, im Betrieb des Bauelements zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren. Die Quantenpunkte weisen einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm, bevorzugt von einschließlich 100 nm bis einschließlich 500 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 120 nm bis 500 nm auf.
Die Quantenpunkte umfassen definitionsgemäß einen Kern und eine Hülle, die den Kern umgibt oder bestehen aus einem Kern und einer Hülle. Die hier und im Folgenden angegebenen
Durchmesser der Quantenpunkte beziehen sich folglich auf den Durchmesser der Quantenpunkte inklusive Kern und Hülle.
Die Quantenpunkte weisen gemäß einer Ausführungsform eine sphärische oder nahezu sphärische Geometrie auf.
Insbesondere weisen alle Quantenpunkte einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm, bevorzugt von einschließlich 100 nm bis einschließlich 500 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 120 nm bis 500 nm,
beispielsweise 200 nm auf. Abweichungen von +/- 10 %, bevorzugt +/- 5 %, besonders bevorzugt +/- 2 % sind dabei definitionsgemäß mit umfasst. Üblicherweise weisen Quantenpunkte mit einem Kern und einer Hülle in einem Konversionselement eines optoelektronischen Bauelements einen Durchmesser unter 30 nm auf. Durch die erfindungsgemäße Wahl des Durchmessers der Quantenpunkte von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm kann die
Primärstrahlung an den Quantenpunkten effektiv gestreut werden, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der Absorption durch die vorhandenen Quantenpunkte erhöht. Dadurch wird die Lichtausbeute an Sekundärstrahlung, die von dem optoelektronischen Bauelement abgestrahlt wird, erhöht und damit die Effizienz des Bauelements gesteigert. Alternativ kann unter Beibehalt der Effizienz die Menge an
Quantenpunkten in dem Konversionselement gesenkt werden. Es wird zudem die elastische Streuung erhöht und somit die mehr oder weniger zufällige Richtungsänderung der Primär- und Sekundärstrahlung erhöht, was zu einer verbesserten Effizienz führt. Durch die Lichtstreuung der Primär- und der
Sekundärstrahlung wird zudem eine Homogenität des
abgestrahlten Lichts erzielt. Durch die erfindungsgemäße Wahl des Durchmessers von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm der Quantenpunkte kann mit Vorteil die Zugabe von zusätzlichen Streupartikeln vermieden werden. Quantenpunkte mit einem Durchmesser unterhalb von 50 nm zeigen eine zu geringe und unterhalb von 30 nm fast keine oder eine zu vernachlässigende Streuwirkung.
Dass die Quantenpunkte die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische
Sekundärstrahlung konvertieren, kann zum einen bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise von den Quantenpunkten absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung
verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird. Ein Teil der absorbierten Primärstrahlung wird hierbei auch als Wärme von den Quantenpunkten abgegeben. Die elektromagnetische Primärstrahlung und elektromagnetische Sekundärstrahlung können eine oder mehrere Wellenlängen und/oder
Wellenlängenbereiche in einem infraroten bis ultravioletten Wellenbereich umfassen, insbesondere in einem sichtbaren Wellenlängenbereich . Dass die Quantenpunkte zumindest teilweise die
elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, kann auch bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung nahezu vollständig durch die Quantenpunkte absorbiert wird und in Form einer
elektromagnetischen Sekundärstrahlung und in Form von Wärme abgegeben wird. Die emittierte Strahlung des
optoelektronischen Bauelements gemäß dieser Ausführungsform entspricht somit nahezu vollständig der elektromagnetischen Sekundärstrahlung. Unter nahezu vollständiger Konversion ist eine Konversion über 90 %, insbesondere über 95 % , zu
verstehen .
Es ist möglich, dass das Bauelement eine Mischstrahlung aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert, das beim Betrachter einen weißfarbigen Leuchteindruck erweckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Primärstrahlungsquelle um eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren. Bei der Schichtenfolge kann es sich um ein
Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Leuchtdiode
handeln .
Unter "Schichtenfolge" ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende Schichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n- dotierten Halbleiterschicht, wobei die Schichten
beispielsweise übereinander angeordnet sind und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die
elektromagnetische Primärstrahlung emittiert. Die Schichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer
Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene
Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein. Dabei kann die Schichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und
Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten
aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGai_x_yN mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1
aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise elektromagnetische Primärstrahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren. Insbesondere wird eine ultraviolette oder blaue, bevorzugt eine Primärstrahlung im blauen Wellenlängenbereich,
beispielsweise von 450 nm emittiert.
Die aktive Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle
Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte
Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder
Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement- , Cladding- oder Wellenleiterschichten,
Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem
Aufwachssubstrat abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht sein. Die hier beschriebenen Strukturen, die aktive Schicht oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Quantenpunkte einen Kern und eine Hülle auf. Der Kern ist dazu eingerichtet die Primärstrahlung, insbesondere mit hoher Quanteneffizienz, zu absorbieren und eine Sekundärstrahlung zu emittieren. Der Kern kann dabei einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 10 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 2 nm bis einschließlich 8 nm aufweisen und die Hülle kann eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm, bevorzugt von einschließlich 20 nm bis einschließlich 249,5 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 21 nm bis einschließlich 249 nm, aufweisen. Insgesamt weisen die Quantenpunkte dabei einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm auf. Bei solchen Dicken der Hülle sind die Kerne der Quantenpunkte ausreichend voneinander isoliert, um einen optimalen
Konversionsprozess zu gewährleisten. Der physische Kontakt zwischen zwei Kernen von Quantenpunkten ist ungünstig für den Konversionsprozess, also für die Absorption der
Primärstrahlung und die Vermeidung von hoher Reabsorption der Sekundärstrahlung. Bei größeren Dicken der Hülle werden die Transporteigenschaften von Ladungsträgern von der Hülle zum Kern negativ beeinflusst.
Die Hülle ist zum einen dazu eingerichtet die Ladungsträger von der beziehungsweise durch die Hülle in den Kern zu transportieren und zum anderen dient diese als eine
elektronische Barriere für die Ladungsträger, so dass diese nicht mehr von dem Kern zur Oberfläche der Hülle
transportiert werden können. Zum anderen dient die Hülle der Passivierung nicht-strahlender Ladungsträger- Rekombinationspfade an der Kernoberfläche durch die
Vermeidung von freien Bindungen (sogenannte „dangling bonds") des Materials des Kerns.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt die Hülle den Kern vollständig. Das bedeutet, dass die Oberfläche des Kerns vollständig von der Hülle bedeckt ist. Insbesondere weisen der Kern und die Hülle einen direkten Kontakt zueinander auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Kern ein Halbleitermaterial, bevorzugt ein II/VI-, IV/VI, III/V- II3/V2-, I/III/VI2, IV- oder I2/VI-Halbleitermaterial oder besteht aus dem Halbleitermaterial, bevorzugt einem II/VI- oder I I I /V-Halbleitermaterial . Durch das Material des Kerns und/oder des Durchmessers des Kerns werden die
Peakwellenlänge beziehungsweise die Emissionswellenlänge der Sekundärstrahlung festgelegt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Kern CdSTe, CdSeTe, CdHgTe, HgTe, PbS, PbSSe, PbSe, PbTe, CulnP, InPAs, InAs, Cd3P2, Cd3As2, CuInS2, CuInSe2, AgInS2, Ge, Ag2S, Ag2Se, Ag2Te, InP, CdS, CdSe, InGaAs, InGaP, InGaSb, CdTe, InGaN oder CuInSe2, bevorzugt CdSTe, CdSeTe, CdHgTe, Cd3P2, Cd3As2 CdS, CdSe, CdTe oder Legierungen dieser Materialien oder besteht aus diesen Materialien oder aus Legierungen dieser Materialien .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Hülle ein Material oder besteht aus einem Material, das eine höhere
Bandlücke aufweist als das Material des Kerns. Dadurch können die Ladungsträger in dem Kern gehalten werden, da sie
aufgrund der höheren Bandlücke des Materials der Hülle nicht in die Hülle transportiert werden (sogenanntes „carrier confinement" ) . Es erfolgt also eine strahlende Rekombination der Ladungsträger innerhalb des Kerns und damit eine hohe strahlende Effizienz.
Zusätzlich kann der feuchte- und Sauerstoffempfindliche Kern durch die Hülle effizient vor diesen Einflüssen geschützt werden. Insbesondere ist das Material der Hülle dielektrisch. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Hülle zumindest eine erste Hülle, die ein Halbleitermaterial oder einen Isolator umfasst, bevorzugt ZnS, ZnSe, CdS, ZnTe,
AlGaAs, GaN, Si02, AI2O3, S13N4 oder T1O2 oder aus einem dieser Materialien besteht. ZnS, ZnSe, CdS, ZnTe, AlGaAs und GaN sind Halbleitermaterialien und S1O2, AI2O3, S13N4 und T1O2 sind Isolatoren. Die Hülle kann auch aus der ersten Hülle
bestehen. Durch die Wahl dieser Materialien der ersten Hülle können sich insbesondere zwischen dem Halbleitermaterial des Kerns an dessen Oberfläche chemische Bindungen zu dem
Material der Hülle beziehungsweise ersten Hülle bilden.
Dadurch sind keine oder nahezu keine freien Bindungen an der Oberfläche der Kerns vorhanden, an denen nichtstrahlende Rekombinationen von Ladungsträgern stattfinden könnten. Die erste Hülle dient also der Passivierung nicht-strahlender Ladungsträger-Rekombinationspfade an der Kernoberfläche durch die Vermeidung von freien Bindungen des Halbleitermaterials des Kerns.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Hülle eine Dicke zwischen einschließlich 15 nm und einschließlich
50 nm auf. Bei diesen Dicken der ersten Hülle trägt die erste Hülle neben dem Kern insbesondere zur Absorption der
Primärstrahlung bei. Insbesondere bei diesen Dicken der ersten Hülle ist der Ladungstransport von Ladungsträgern von der Hülle zum Kern besonders effektiv.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Hülle eine zweite Hülle. Die Hülle umfasst gemäß dieser Ausführungsform eine erste und eine zweite Hülle. Die Hülle kann auch aus der ersten und der zweiten Hülle bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Konversionselement ein Matrixmaterial. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein Silikon, ein Polymethylmethacrylat oder ein Epoxidharz sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte in dem Matrixmaterial homogen oder nahezu homogen verteilt. Die homogene Verteilung trägt zu einer Verbesserung der
Absorption und einer Verringerung der Reabsorption der
Sekundärstrahlung bei. Besteht die Hülle aus der ersten Hülle weist das Material der ersten Hülle ein Material auf, das einen Brechungsindex n^O aufweist, der kleiner oder größer als der des Matrixmaterials ist, um eine Streuung der Strahlung zu gewährleisten. Die zweite Hülle kann ein Material umfassen oder aus einem Material bestehen, das einen Brechungsindex n^O aufweist, der kleiner oder größer, bevorzugt größer, als der des
Matrixmaterials ist. Beispielsweise kann MgF2 mit einem
Brechungsindex von n^O ^35 a]_s Material für die zweite Hülle eingesetzt werden, wenn als Matrixmaterial
beispielsweise ein Silikon mit einem Brechungsindex von 1,5 eingesetzt wird. Als Material für die zweite Hülle können Materialien
eingesetzt werden, die einen zu dem Matrixmaterial
verschiedenen Brechungsindex aufweisen und eine geringe
Absorption bei der Primärstrahlungs- und
Sekundärstrahlungswellenlänge aufweisen. Materialien mit geringer Extinktion (Absorption) sind beispielsweise
Metalloxide, Isolatoren und Halbleiter mit größerer Bandlücke als die Wellenlänge der Primär- und/oder Sekundärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Hülle über dem Kern und die zweite Hülle über der ersten Hülle angeordnet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt die erste Hülle den Kern vollständig und die zweite Hülle umgibt die erste Hülle vollständig. Insbesondere weisen der Kern und die erste Hülle und die erste Hülle und die zweite Hülle einen direkten Kontakt zueinander auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kern durch chemische Bindungen an die erste Hülle und/oder die erste Hülle durch chemische Bindungen an die zweite Hülle gebunden. Trägt die erste Hülle zur Absorption der Primärstrahlung bei, weist also die erste Hülle eine Schichtdicke zwischen
einschließlich 15 nm und einschließlich 50 nm auf, weist das Material der zweiten Hülle bevorzugt gute
Passivierungseigenschaften auf um eine Rekombination der Ladungsträger an der Oberfläche der ersten Hülle zu
verhindern. Bevorzugt bilden sich zwischen dem Material der ersten Hülle an dessen Oberfläche chemische Bindungen zu dem Material der zweiten Hülle. Dadurch sind keine oder nahezu keine freien Bindungen an der Oberfläche der ersten Hülle vorhanden, an denen nichtstrahlende Rekombinationen von
Ladungsträgern stattfinden könnten. Die zweite Hülle dient also der Passivierung nicht-strahlender Ladungsträger- Rekombinationspfade an der Oberfläche der ersten Hülle durch die Vermeidung von freien Bindungen des Materials der ersten Hülle. Zudem dient die zweite Hülle der Erhöhung der Streuung ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Material der zweiten Hülle ein Metallhalogenid, ein Metalloxid oder ein Metallphosphit .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Material der zweiten Hülle aus einer Gruppe ausgewählt, die 1O2, S1O2 Α12θ3^ MgF2, Hf205, Nb205, Ta205, Zr02, GaN, Si3N4 und GaP umfasst. Bevorzugt sind T1O2 und/oder Αΐ2θ3_ Diese
Materialien zeigen insbesondere eine geringe Absorption bei der Primärstrahlungs- und Sekundärstrahlungswellenlänge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann die zweite Hülle aus mehreren Teilhüllen bestehen, insbesondere aus zwei Teilhüllen. Bevorzugt bestehen die erste und die zweite
Teilhülle aus unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise besteht die erste Teilhülle aus T1O2 mit einem Brechungsindex von 2,4 und die zweite Teilhülle aus AI2O3 mit einem
Brechungsindex n^O von ]_,7 bis 1,8. Die erste Teilhülle kann bevorzugt die erste Hülle vollständig umgeben und die zweite Teilhülle die erste Teilhülle. Insbesondere weisen die erste Hülle und die erste Teilhülle und die erste Teilhülle und die zweite Teilhülle einen direkten Kontakt zueinander auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kern einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 10 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 2 nm bis
einschließlich 8 nm auf und die Hülle bestehend aus der ersten Hülle und der zweiten Hülle weist eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm, bevorzugt von einschließlich 20 nm bis einschließlich 249,5 nm,
besonders bevorzugt von einschließlich 21 nm bis
einschließlich 249 nm, auf. Dabei kann die erste Hülle eine Dicke von einschließlich 2 nm bis einschließlich 150 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 15 nm und einschließlich 50 nm, und die zweite Hülle eine Dicke von einschließlich 20 nm bis einschließlich 150 nm aufweisen. Insgesamt weisen die Quantenpunkte dabei einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm auf. Die erste Hülle
gewährleistet mit einer solchen Dicke gute elektrische
Transporteigenschaften von Ladungsträgern von der ersten Hülle zum Kern und die zweite Hülle bewirkt mit solchen
Dicken gute Streueigenschaften.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die
Quantenpunkte erste und zweite Quantenpunkte. Beispielsweise kann sich der Durchmesser des Kerns, das Material des Kerns, das Material der Hülle, die Dicke der Hülle und/oder der
Durchmesser der ersten und zweiten Quantenpunkte voneinander unterscheiden .
Bei der Verwendung von ersten und zweiten Quantenpunkten mit unterschiedlichen Durchmessern, der bei beiden zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 500 nm liegt, kann die optimale Streuwirkung für eine blaue Primärstrahlung und eine Sekundärstrahlung im grünen bis roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums eingestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Streuung von blauem Licht bei einem
gegebenen Durchmesser der Quantenpunkte größer ist als die für grünes und rotes Licht. Die Streuung der blauen
Primärstrahlung kann durch Variation der Durchmesser der
Quantenpunkte so eingestellt werden, dass die Primärstrahlung effizient von den Quantenpunkten absorbiert wird. Des
Weiteren kann die Streuung der Sekundärstrahlung durch eine geeignete Wahl des Durchmessers der Quantenpunkte so
optimiert werden, dass die Sekundärstrahlung effizient aus dem Konversionselement ausgekoppelt wird.
Insbesondere können beispielsweise die ersten Quantenpunkte einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 80 nm aufweisen und die zweiten Quantenpunkte einen
Durchmesser von 80 nm bis einschließlich 100 nm aufweisen. Je größer der Durchmesser der Quantenpunkte, desto größer ist die Streuwirkung. Auch durch eine Optimierung der Brechungsindices und/oder der Extinktionskoeffizienten der Materialien der Quantenpunkte, insbesondere der Materialen der Hülle, kann die Streuung der Primärstrahlung für eine effiziente Absorption und/oder die Streuung der Sekundärstrahlung für eine effiziente
Lichtauskopplung angepasst werden.
Das optoelektronische Bauelement kann ein Gehäuse umfassen. In dem Gehäuse kann in der Mitte eine Ausnehmung vorhanden sein. Die Primärstrahlungsquelle kann in der Ausnehmung angebracht sein. Es ist auch möglich, dass die Ausnehmung mit einem die Primärstrahlungsquelle abdeckenden Verguss
aufgefüllt ist. Die Ausnehmung kann aber auch aus einem
Luftraum bestehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet, das über der Primärstrahlungsquelle angeordnet ist. Das Plättchen kann direkt in mechanischem Kontakt zu der Primärstrahlungsquelle stehen oder von dieser beabstandet angeordnet sein.
Die Schichtdicke des gesamten Plättchens kann gleichmäßig sein. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden. Beispielsweise liegt die Schichtdicke zwischen 500 nm und 500 ym.
Das Plättchen kann gemäß zumindest einer Ausführungsform direkt auf der Primärstrahlungsquelle aufgebracht sein. Es ist möglich, dass das Plättchen die gesamte Oberfläche der Primärstrahlungsquelle bedeckt.
In einer Ausführungsform ist das Plättchen über der
Ausnehmung des Gehäuses angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform des Konversionselements besteht kein direkter und/oder formschlüssiger Kontakt des Konversionselements mit der Primärstrahlungsquelle. Das heißt, dass zwischen dem Konversionselement und der Primärstrahlungsquelle ein
Abstand bestehen kann. Mit anderen Worten ist das
Konversionselement der Primärstrahlungsquelle nachgeordnet und wird von der Primärstrahlung angestrahlt. Zwischen
Konversionselement und der Primärstrahlungsquelle kann dann ein Verguss oder ein Luftspalt ausgebildet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Haftschicht zwischen der Primärstrahlungsquelle und dem Plättchen oder zwischen dem Plättchen und dem Gehäuse angeordnet. Zusätzlich kann eine Haftschicht zwischen dem Plättchen und dem Verguss angeordnet sein.
Dass eine Schicht oder ein Element "zwischen zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist", kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine
Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder
elektrischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zu einem der zwei anderen Schichten oder Elementen und in direktem
mechanischem und/oder elektrischem Kontakt oder elektrischem oder in mittelbarem Kontakt zu anderen Schichten oder
Elementen angeordnet ist. Dabei können bei mittelbarem
Kontakt dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten
beziehungsweise zwischen dem einen und zumindest einem der zwei anderen Elemente angeordnet sein.
Es ist möglich, dass das Plättchen separat hergestellt wird und auf die Primärstrahlungsquelle aufgebracht ist. In diesem Fall kann eine Haftschicht zur Fixierung des Plättchens auf der Schichtenfolge oder dem Gehäuse aufgebracht sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Haftschicht ein Silikon oder besteht aus einem Silikon.
In einer Ausführungsform ist das Plättchen direkt auf der Primärstrahlungsquelle oder dem Gehäuse hergestellt. Dies erweist sich insbesondere bei Plättchen mit geringen
Schichtdicken als vorteilhaft.
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement Teil eines Vergusses der Primärstrahlungsquelle beispielsweise der Schichtenfolge oder das Konversionselement bildet den
Verguss .
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement als eine Schicht ausgebildet. Die Schicht kann über der
Strahlungsaustrittsfläche der Primärstrahlungsquelle oder über der Strahlungsaustrittsfläche und den Seitenflächen der Primärstrahlungsquelle angeordnet sein. Bei dem optoelektronischen Bauelement kann es sich um eine lichtemittierende Diode (LED) handeln.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Figuren 1 und 2 zeigen schematische Seitenansichten
verschiedener Ausführungsformen von optoelektronischen
Bauelementen,
Figur 3 zeigt den Einfluss des Durchmessers von
Titandioxidpartikeln auf die Streueigenschaften,
Figuren 4A, 4B und 4C zeigen Quantenpunkte,
Figur 5A zeigt die relative Effizienz in Abhängigkeit der Konzentration an Titandioxidpartikeln beziehungsweise der Konzentration an herkömmlichen Quantenpunkten, Figur 5B zeigt die relative Effizienz in Abhängigkeit von dem Radius der Quantenpunkte und der Konzentration der
Quantenpunkte . In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als
maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zum besseren Verständnis
übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß Figur 1 zeigt einen Träger 5 mit einem Leiterrahmen 6. Auf dem Träger 5 ist eine Schichtenfolge 2 angeordnet, die mit dem Leiterrahmen 6 über Bonddrähte 7 elektrisch verbunden ist. Über der
Schichtenfolge 2 ist ein Konversionselement 3 in Form eines Plättchens angebracht. Das Konversionselement 3 umfasst
Quantenpunkte 3a und ein Matrixmaterial, wobei die
Quantenpunkte 3a in dem Matrixmaterial homogen verteilt sind. Beispielsweise ist das Matrixmaterial ein Silikon. Die
Quantenpunkte 3a weisen beispielsweise einen Kern aus CdSe auf und eine erste Hülle aus CdS . Die Quantenpunkte weisen einen Durchmesser von 80 nm auf. Der Kern 9 weist dabei einen Durchmesser von 4 nm auf und die Hülle eine Dicke von 38 nm. Das Plättchen ist im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht separat dargestellt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird. Durch die Wahl des Durchmessers der
Quantenpunkte 3a kann die Primärstrahlung an den
Quantenpunkten effektiv gestreut werden. Durch die effektive Streuung der Primärstrahlung an den Quantenpunkten 3a wird die Absorptionswahrscheinlichkeit der Primärstrahlung durch die Quantenpunkte 3a erhöht und damit die Ausbeute an
Sekundärstrahlung. Zudem wird die von den Quantenpunkten 3a emittierte Sekundärstrahlung durch die Quantenpunkte 3a gestreut, so dass diese effektiv nach außen an die Umgebung ausgekoppelt werden kann. Die Quantenpunkte 3a dienen damit erfindungsgemäß zum einen als Streupartikel zur effektiven Streuung der Primärstrahlung sowie auch der Sekundärstrahlung als auch zur Konversion der Primärstrahlung. Damit können zur Erzielung einer gewünschten Lichtausbeute weniger
Quantenpunkte 3a als herkömmlich eingesetzt werden. Die
Konzentration an Quantenpunkten 3a kann also gering gehalten werden. Dies ist besonders bei Cadmium-haltigen
Quantenpunkten wichtig, da die Cadmium-Konzentration nach den Bestimmungen des REACH und des ROHS gewisse Grenzwerte nicht überschreiten darf. Durch die Hülle kann vermieden werden, dass sich die Kerne der Quantenpunkte 3a räumlich zu nahe kommen, was Energieverluste durch nichtstrahlende Prozesse zur Folge hätte. Zudem dient die Hülle dazu nichtstrahlende Rekombination von Ladungsträgern auf der Oberfläche des Kerns zu unterdrücken (Passivierung) . Zudem sind die Quantenpunkte 3a durch die Hülle vor Feuchte und Sauerstoff geschützt.
Somit kann zudem einem frühseitigen Ausfall des
optoelektronischen Bauelements 1 vorgebeugt werden und die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements 1 verlängert werden .
Zusätzlich kann zwischen der Schichtenfolge 2 und dem
Konversionselement 3 eine Haftschicht (hier nicht gezeigt) angebracht sein. Die Haftschicht kann beispielsweise Silikon umfassen oder daraus bestehen. Es ist möglich, dass das
Silikon der Haftschicht dem Silikon des Matrixmaterials des Konversionselements 3 entspricht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem optoelektronischen
Bauelement 1 um eine LED, wobei die Strahlung nach oben über eine transparente Halbleiterschichtenfolge 2 und das
Konversionselement 3 ausgekoppelt wird. Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß Figur 2 zeigt einen Träger 5 mit einem Leiterrahmen 6 und ein Gehäuse 8. Das Gehäuse 8 weist in der Mitte eine Ausnehmung auf, in der die Schichtenfolge 2 angeordnet ist, die mit dem Leiterrahmen 6 elektrisch leitend verbunden ist. Die Ausnehmung ist mit einem Verguss 4 aufgefüllt. Der Verguss 4 umfasst
beispielsweise ein Silikon. Über der Ausnehmung des Gehäuses 8 und dem Gehäuse 8 ist ein Konversionselement 3 angeordnet. Das Konversionselement 3 ist in Form eines Plättchens ausgebildet und ist in dem
Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung
angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht separat dargestellt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird.
Das Konversionselement 3 umfasst Quantenpunkte 3a und ein Silikon als Matrixmaterial, wobei die Quantenpunkte 3a in dem Silikon homogen verteilt sind. Die Quantenpunkte 3a weisen beispielsweise einen Kern aus InP, eine erste Hülle aus GaP und eine zweite Hülle aus Zr02 auf. Das Silikon weist einen anderen Brechungsindex auf wie das Zr02 der zweiten Hülle.
Dadurch können die Primär-und die Sekundärstrahlung effizient gestreut werden.
Figur 3 zeigt den Einfluss des Durchmessers von
Titandioxidpartikeln auf die Streueigenschaften. Auf der y- Achse ist die relative Streueffizienz (rS) und auf der x- Achse der Durchmesser von Ti02~Partikeln in Nanometern aufgetragen. Wie ersichtlich, wird blaues Licht (B) bei einem gegebenen Partikeldurchmesser stärker gestreut rotes Licht (R) . Die Streueffizienz von grünem Licht (nicht gezeigt) liegt zwischen der von blauem und rotem Licht. Figur 4A zeigt einen Quantenpunkt 3a. Dieser weist einen Kern 9, beispielsweise aus CdSe, und eine erste Hülle 10a aus CdS auf. Die Quantenpunkte 3a weisen einen Durchmesser d von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm,
beispielsweise 70 nm, auf. Der Kern 9 weist dabei einen
Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm auf und die erste Hülle 10a eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm auf.
Figur 4B zeigt einen Quantenpunkt 3a. Dieser weist einen Kern 9, beispielsweise aus CdSe, eine erste Hülle 10a aus CdS und eine zweite Hülle aus Ti02 auf. Die Quantenpunkte 3a weisen einen Durchmesser d von einschließlich 50 nm bis
einschließlich 500 nm, beispielsweise 120 nm, auf. Der Kern 9 weist dabei einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm auf und die Hülle 10 eine Schichtdicke von einschließlich 25 nm bis einschließlich 249,5 nm. Die erste Hülle 10a weist dabei eine Dicke von einschließlich 2 nm bis einschließlich 150 nm auf. Die erste Hülle
gewährleistet mit einer solchen Dicke gute elektrische
Transporteigenschaften von Ladungsträgern von der ersten Hülle zum Kern und die zweite Hülle bewirkt mit solchen
Dicken gute Streueigenschaften der Quantenpunkte.
Figur 4B zeigt einen Quantenpunkt 3a. Dieser weist einen Kern 9, beispielsweise aus CdSe, eine erste Hülle 10a aus CdS und eine zweite Hülle auf. Die zweite Hülle 10b weist eine erste Teilhülle 10b-l aus Ti02 und eine zweite Teilhülle 10b-l aus AI2O3 auf. Die Quantenpunkte 3a weisen einen Durchmesser d einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm auf. Der Kern 9 weist dabei einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm auf und die Hülle 10 eine Schichtdicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm. Die erste Hülle 10a weist dabei eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 150 nm auf. Die Diagramme der Figuren 5A und 5B wurden mit dem Programm "LightTools" simuliert. Die der Simulation zugrunde gelegten optoelektronischen Bauelemente weisen ein herkömmliches Gehäuse mit einem Halbleiterchip auf, der eine
Primärstrahlung von 450 nm emittiert (Volumen emittierender Saphir-Chip; Iblau/^rot < 0,01; Cx = 0,69) . Es wird von einer Vollkonversion der Primärstrahlung ausgegangen. Die
Streueigenschaften der Ti02-Partikel beziehungsweise der
Quantenpunkte wurden anhand der Mie-Streutheorie bei
angenommenen homogenen sphärischen Partikeln in einem
Matrixmaterial aus hochbrechendem Silikon mit einem
Brechungsindex n^O von ^53 berechnet. Der angenommene
Brechungsindex der erfindungsgemäßen Quantenpunkte, die aus einem Kern, einer ersten und einer zweiten Hülle bestehen, entspricht einem gemittelten Brechungsindex der Materialien der Quantenpunkte. Diese Näherung des Brechungsindex der erfindungsgemäßen Quantenpunkte ist berechtigt, da der
Durchmesser der Quantenpunkte viel kleiner als die
Wellenlänge des Lichts ist. Der Durchmesser der Quantenpunkte bis einschließlich zur ersten Hülle wurde in dieser
Simulation zu 20 nm angenommen. Die Absorptionen, bis auf die der ersten Hülle aus CdS (Absorption bekannt aus der
Literatur), wurden vernachlässigt. Die Ergebnisse lassen sich nur erzielen, wenn die Partikelgrößen, wie bei der
Simulation, deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts Die angegebene relative Effizienz bezieht sich auf die emittierte Leistung des Halbleiterchips bei 450 nm. Das Diagramm der Figur 5A bezieht sich auf ein herkömmliches Bauelement mit einem Konversionselement, in dem Ti02-Partikel mit einem Durchmesser von 200 nm und Quantenpunkte mit einem Durchmesser von 10 nm homogen in einem Matrixmaterial aus hochbrechendem Silikon verteilt sind. Es ist ersichtlich, dass die relative Effizienz E zunächst mit der Konzentration an Ti02-Partikeln (c(Ti02)) steigt, bis eine optimale
Konzentration (etwa 10^ Ti02-Partikel pro mm^) erreicht ist, die sich aus einer Wechselwirkung zwischen einer erhöhten optischen Auskopplung, Zurückstreuung und Reabsorption ergibt. Durch die Streuung der Primärstrahlung an den 1O2-
Partikeln legt die Primärstrahlung im Mittel eine längere Wegstrecke in dem Konversionselement zurück, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Absorption durch die Quantenpunkte steigt. Bei der optimalen Konzentration an Ti02-Partikeln können unter Steigerung der Effizienz um etwa 3 % etwa 20 % weniger herkömmliche Quantenpunkte verwendet werden im
Vergleich zu einem Konversionselement ohne Ti02-Partikel .
Eine Erhöhung der Konzentration der Quantenpunkte würde durch Zurückstreuung und durch Reabsorption verursachte Verluste der internen Quanteneffizienz zu einem Effizienzabfall führen. Unter der internen Quanteneffizienz ist die Anzahl der emittierten Photonen der Sekundärstrahlung pro Anzahl der absorbierten Photonen der Primärstrahlung zu verstehen. Die interne Quanteneffizient beschreibt also den Verlust an
Ladungsträgern durch nicht-strahlende Rekombination neben der Absorption der Primärstrahlung und der Emission der
Sekundärstrahlung. Die Verluste der internen Quanteneffizienz können durch Reabsorptionsprozesse der Sekundärstrahlung noch verstärkt werden. Die Effizienz dieses Bauelements kann durch das Vorhandensein der Ti02-Partikel erhalten bleiben, wenn etwa 40 % weniger herkömmliche Quantenpunkte verwendet werden im Vergleich zu einem Konversionselement ohne Ti02-Partikel .
Das Diagramm der Figur 5B bezieht sich auf ein
optoelektronisches Bauelement mit einem Konversionselement, in dem Quantenpunkte mit unterschiedlichem Radius (r) homogen in einem Matrixmaterial aus hochbrechendem Silikon mit einem Brechungsindex n^O von 1 53 verteilt sind. Der Radius entspricht dabei dem halben Durchmesser. Die Quantenpunkte weisen einen Kern, eine erste Hülle aus CdS und eine zweite Hülle aus Ti02 mit einem Brechungsindex n^O von 2,4
(ausgefüllte Kreise, ausgefüllte Dreiecke) oder AI2O3 mit einem Brechungsindex n^O von ]_,8 (offene Kreise, offene
Dreiecke) auf. Da der Durchmesser des Kerns im Vergleich zu der Dicke der ersten Hülle sehr klein ist, wird nährungsweise auch von einem CdS-Kern ausgegangen. Die Quantenpunkte dienen als Streu-und Konverterpartikel. Damit sind in dem erfindungsgemäßen Bauelement die Konzentration an Streu- und Konverterpartikel identisch. Es entsteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad durch die Variation der Dicke der zweiten Hülle und damit des Durchmessers der Quantenpunkte. Dadurch, dass die Streu- und Konverterpartikel dieselben Quantenpunkte sind, kann jede Streuung von Primärstrahlung auch zu einer Konversion führen, was bei separaten Streu- und
Konverterpartikeln nicht der Fall ist. Unter Steigerung der Effizienz um etwa 3 % können etwa 50 % weniger der
erfindungsgemäßen Quantenpunkte verwendet werden im Vergleich zu einem Konversionselement mit herkömmlichen Quantenpunkten, die einen Durchmesser unter 20 nm aufweisen. Die Effizienz dieses Bauelements kann im Vergleich zu einem Bauelement mit herkömmlichen Quantenpunkten erhalten bleiben, wenn etwa 75 % weniger Quantenpunkte verwendet werden. Im Vergleich zu dem unter 5A beschriebenen Bauelement bedeutet dies eine
Ersparnis an Quantenpunkten um einen Faktor 2. Dies kann insbesondere hinsichtlich gesetzlicher Restriktionen wie REACH oder ROHS bei der Verwendung von Cd-haltigen
Quantenpunkten ein wesentliches Kriterium für die Bauelemente sein, um diese überhaupt auf den Markt zu bringen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 optoelektronisches Bauelement
2 Schichtenfolge
3 Konversionselement
3a Quantenpunkt
4 Verguss
5 Träger
6 Leiterrahmen
7 Bonddraht
8 Gehäuse
9 Kern
10 Hülle
10a erste Hülle
10b zweite Hülle
10b-l erste Teilhülle
10b-2 zweite Teilhülle
d Durchmesser eines Quantenpunktes r Radius
rS relative Streueffizienz
B blaues Licht
R rotes Licht
nm Nanometer
ym Mikrometer
c Konzentration
mm^ Kubikmillimeter
E relative Effizienz
Brechungsindex

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement (1) umfassend
- eine Primärstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische
Primärstrahlung zu emittieren,
- ein Konversionselement (3) , das im Strahlengang der
elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist,
wobei das Konversionselement (3) Quantenpunkte (3a) umfasst, die dazu eingerichtet sind, im Betrieb des Bauelements zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren und wobei die Quantenpunkte einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm aufweisen.
2. Optoelektronisches Bauelement (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
wobei die Quantenpunkte (3a) einen Kern (9) und eine Hülle (10) aufweisen, wobei der Kern (9) einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm und die Hülle (10) eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm aufweist.
3. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Kern (9) ein II/VI-, IV/VI, ΙΙΙ/ν-ΙΙ3/ν2-,
I/III/VI2, IV- oder 12/VI-Halbleitermaterial umfasst oder daraus besteht.
4. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Kern (9) CdSTe, CdSeTe, CdHgTe, HgTe, PbS, PbSSe, PbSe, PbTe, CulnP, InPAs, InAs, Cd3P2, Cd3As2, CuInS2, CuInSe2, AgInS2, Ge, Ag2S, Ag2Se, Ag2Te, InP, CdS, CdSe, InGaAs, InGaP, InGaSb, CdTe, InGaN, CuInSe2 oder Legierungen dieser
Materialien umfasst oder daraus besteht.
5. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 3 bis 4,
wobei die Hülle (10) ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, das eine höhere Bandlücke aufweist als das Material des Kerns (9) .
6. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5,
wobei die Hülle (10) zumindest eine erste Hülle (10a)
aufweist, die ZnS, ZnSe, CdS, ZnTe, AlGaAs, GaN, Si02, A1203, S13 4 oder Ti02 umfasst oder daraus besteht.
7. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement ein Matrixmaterial umfasst.
8. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 7, wobei die Hülle (10) eine zweite Hülle (10b) aufweist, die ein Material umfasst, das einen Brechungsindex n^O aufweist, der größer oder kleiner als Matrixmaterial ist.
9. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 8, wobei das Material der zweiten Hülle (10b) aus einer Gruppe ausgewählt ist die 1O2, S1O2 Α12θ3^ MgF2, Hf205, Nb205, Ta205, Zr02, GaN, S13N4 und GaP umfasst.
10. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 9, wobei die erste Hülle (10a) durch chemische Bindungen an die zweite Hülle (10b) gebunden ist.
11. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
Ansprüche 8 bis 10, wobei der Kern (9) einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm, die erste Hülle (10a) eine Dicke von einschließlich 2 nm bis einschließlich 150 nm und die zweite Hülle (10b) eine Dicke von
einschließlich 20 nm bis einschließlich 150 nm aufweist.
12. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionselement (3) als ein Plättchen oder als ein Verguss angeordnet über der Primärstrahlungsquelle, ausgebildet ist.
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