WO2018104389A1 - Optoelektronisches bauelement - Google Patents

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WO2018104389A1
WO2018104389A1 PCT/EP2017/081698 EP2017081698W WO2018104389A1 WO 2018104389 A1 WO2018104389 A1 WO 2018104389A1 EP 2017081698 W EP2017081698 W EP 2017081698W WO 2018104389 A1 WO2018104389 A1 WO 2018104389A1
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red
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Philipp Pust
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component.
  • Optoelectronic devices such as light emitting diodes (LEDs) that emit white radiation
  • the conventional LCD filter systems consist of three or four color filters (blue, green and red or blue, green, yellow and red).
  • the LCD filters can have a minimum full width at half maximum (FWHM) bandwidth in the range of typically 70 to 120 nm, in which the transmission can be electrically controlled.
  • the transmission results from the superposition the three color filters, resulting in areas of the visible spectrum, in which no complete transmission is achieved.
  • FWHM full width at half maximum
  • the transmission results from the superposition the three color filters, resulting in areas of the visible spectrum, in which no complete transmission is achieved.
  • a portion of the emitted light is absorbed by the filter.
  • narrow-band conversion or phosphors are needed, which are in the range of the individual
  • the object of at least one embodiment of the present invention is an optoelectronic component
  • a further object is to provide an optoelectronic component for backlighting color filter systems and a lighting unit comprising an optoelectronic component.
  • the objects are achieved by an optoelectronic component having the features of claim 1, by the use of an optoelectronic component for backlighting LCD filters having the features of claim 12 and by a lighting unit having the features of claim 13.
  • An optoelectronic component is specified.
  • the optoelectronic component comprises a semiconductor chip and a conversion element.
  • the semiconductor chip is set up to emit primary radiation with a peak wavelength between 420 nm and 480 nm inclusive during operation of the component.
  • the peak wavelength is here and below the wavelength of a peak at which the maximum intensity of the peak is located. According to at least one embodiment, this includes
  • Conversion element a first converter material, which is adapted to the primary radiation at least partially into a secondary radiation in the green region of the
  • the Conversion element a second converter material, which is adapted to convert the primary radiation partially into a secondary radiation in the red region of the electromagnetic spectrum.
  • the second converter material comprises a first red phosphor of the formula (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6 : Mn 4+ and a second red phosphor of the formula
  • the second converter material may also consist of the first red phosphor and the second red phosphor.
  • the high phosphor loading can be reduced due to the low absorption of the first red phosphor (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6 : Mn 4+ .
  • Associated converter material can be compensated according to the invention by the use of two red phosphors or largely compensated.
  • the second red phosphors have a short cooldown, for example a cooldown of between 1 and 20 ⁇ sec, so that the color locus shift can be reduced in functions such as "local dimming".
  • "Local Dimming" are individual optoelectronic
  • Components such as light-emitting diodes, in a display at a high frequency on and off or regulated in the luminosity to increase the contrast. Due to the short decay times of the second red phosphors, it does not come to an advantage
  • the optoelectronic component according to the invention is therefore particularly suitable for the backlighting of displays, in particular LCD displays, with local dimming functions.
  • the second converter material comprises a first red phosphor of the formula K 2 SiF 6: Mn 4+ .
  • Phosphors a secondary radiation with a spectrally narrow-band emission, for example with a
  • Phosphors in particular a very large overlap with the transmission range of a standard red filter, so that only little light is lost and the achievable color space is large.
  • the secondary radiation of the very narrow-band emitting first red phosphor (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6 : Mn 4+ is within the transmission range of a standard red filter, so that the achievable color space is advantageously increased again.
  • the second red phosphor of the formula [Sr (Sr a M 1-a)] 1-x Eu x Si 2 Al 2 N 6 crystallized in particular in the space group P1, P2, P2 1 or P1, particularly preferably in the space group P2. 1
  • the half-width is for example for [Sr (Sr a M 1-a )] 1-x Eu x Si 2 Al 2 N 6 at about 80 nm.
  • the half-width for (M "") 1 ⁇ “" Eu ⁇ “" [LiAl 3 N 4 ] is preferably below 60 nm, for example at approximately 50 nm.
  • the dominant wavelengths of the second red phosphors are included, for example a suggestion with a
  • the dominant wavelengths of the second red phosphors may, in one embodiment, range from 595 nm to 625 nm for (M ') 2-x' Eu x ' Si 2 Al 2 N 6 , preferably [Sr (Sr a M 1-a )] 1- x Eu x Si 2 Al 2 N 6 , more preferably [Sr (Sr a Ca 1-a )] 1-x Eu x Si 2 Al 2 N 6 , or (M ") 1-x" Eu x '' AlSiN 3 * Si 2 N 2 O, preferably (Sr, Ca) 1- x '' Eu x '' AlSiN 3 * Si 2 N 2 O.
  • the dominant wavelengths of the second red phosphors may, in one embodiment, be in the range of 623 nm to 633 nm for the second red phosphors (M '''') 1- x '''' Eu x '''' [LiAl 3 N 4 ] , preferably (Sr, Ca) 1-x "'' Eu x '''' [LiAl 3 N 4 ].
  • the dominant wavelengths of the second red phosphors may, according to one embodiment, be in the range from 590 nm to 610 nm for the second red phosphors (M ''') 2- 2x''' Eu 2x ''' Si 5 N 8 , preferably (Ca, Ba, Sr) 2-2x ''' Eu 2x''' Si 5 N 8 .
  • the color locations of the second red phosphors are
  • K, Na) 2 (Si, Ti) F 6 : Mn 4+ is for example in the range of 610-630 nm when excited with a primary radiation having a peak wavelength of 460 nm.
  • (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6 : Mn 4+ is preferably in the range of 617-624 nm.
  • the dominant wavelength of the first red phosphor is shorter according to at least one embodiment
  • Fluorescent is thus closer to the maximum of the compared to the dominant wavelength of the second red phosphor
  • Eye sensitivity curve has and thus is perceived as lighter. Overall, the device thus emits a total radiation, which is perceived as lighter in the Compared to the total radiation of a device containing as red phosphor only the second red phosphor. Due to the narrow-band emission in combination with the above-mentioned dominance wavelengths of the first red phosphor and the second red phosphors, they emit no or only little radiation outside the visible
  • the electromagnetic spectrum excludes or minimizes. This achieves a high luminescence efficiency. According to at least one embodiment, the
  • the first comprises
  • Converter material Converter particles with a quantum structure with barrier layers and quantum layers or a green phosphor.
  • the first converter material can also off
  • Converter material converter particles having a quantum structure with barrier layers and quantum layers, wherein the barrier layers and quantum layers alternating
  • the quantum layers and the Barrier layers thus form a multiple quantum well structure.
  • the quantum structure can also be made from the
  • Quantum layers and the barrier layers exist.
  • the quantum layers can also be called quantum wells or
  • Quantum wells are designated and are preferred
  • the converter particles are not quantum dots.
  • Quantum dots are approximately zero-dimensional, in the
  • a spectrally narrow-band emission for example with a full width at half maximum (FWHM) of less than 50 nm, in particular in the region of 30 nm, in the green region of the electromagnetic spectrum can be achieved.
  • the emission peaks of the converter particles show it
  • the transmission range of a standard green filter so that only little light is lost and the achievable color space is large. According to at least one embodiment, the
  • Quantum layers are responsible for the wavelength of the secondary radiation due to their composition.
  • the indium content determines the wavelength of the secondary radiation. So is the peak wavelength of the
  • Quantum layers have a layer thickness of from 2.0 nm to 5 nm inclusive, preferably from 2.0 nm to 4.0 nm inclusive, more preferably from
  • the quantum layers have a layer thickness of, for example, 2.9 nm. If the layer thickness of a quantum layer exceeds 5 nm, the internal decreases
  • Quantum efficiency If the layer thickness of a quantum layer is less than 2.0 nm, the band gap increases, as a result
  • Barrier layers Al y Ga 1-y N with 0.0 ⁇ y ⁇ 0.5, preferably 0.0 ⁇ y ⁇ 0.4, more preferably 0.0 ⁇ y ⁇ 0.3, most preferably y 0 on or consist of this material.
  • the barrier layers comprise GaN or consist of GaN.
  • Barrier layers have a layer thickness of from 1.5 nm to 100 nm inclusive, preferably inclusive 1.5 nm to and including 17.5 nm, for example 16 nm or 17 nm. According to at least one embodiment form a
  • the converter particles Preferably, the converter particles
  • the desired proportion of primary radiation which impinges on the converter particles and is converted into secondary radiation can be adapted to the desired requirements.
  • Adjust converter particles A full conversion of the primary radiation can occur if the quantum structure comprises or consists of 120 to 200 double layers. Partial conversion may occur when the quantum structure is five to 120, preferably ten to fifty
  • a first layer Includes or consists of bilayers. According to at least one embodiment, a
  • Double layer has a layer thickness of from 3.5 nm to 105 nm inclusive, preferably from 3.5 nm inclusive to 21.5 nm inclusive. According to at least one embodiment, the
  • the buffer layer may consist of Al y Ga 1-y N with 0 ⁇ y ⁇ 0.5, preferably 0.0 ⁇
  • the buffer layer has the same material as the barrier layers.
  • the quantum structure is preferably over the buffer layer, wherein a quantum layer is disposed over the buffer layer.
  • the quantum structure or the buffer layer and the quantum structure are arranged and / or grown on a substrate.
  • the quantum structure or the buffer layer and the quantum structure are arranged and / or grown on a substrate.
  • Quantum structure grown epitaxially for example on a translucent growth substrate such as sapphire.
  • a translucent growth substrate such as sapphire.
  • Spectral range a half-width of at least 15 nm or 20 nm or 25 nm.
  • these half-values of the secondary radiation is the
  • Converter particles at most 50 nm or 40 nm or 30 nm. According to at least one embodiment, the first
  • Converter material comprises a green phosphor selected from a group consisting of orthosilicates,
  • Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONe and grenade covers or the first converter material consists of a green
  • Phosphor selected from a group consisting of
  • Orthosilicates, Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONs and grenade includes.
  • These green phosphors for the first converter material advantageously have half-widths of less than 90 nm, preferably less than 70 nm, particularly preferably less than 60 nm.
  • the emission peaks of the green phosphors thus show in particular a very large overlap with the
  • the first comprises
  • the first comprises
  • AE Sr, Ba, Ca and / or Mg
  • the first comprises
  • Converter material a green garnet phosphor of the formula (Lu, Y, Gd, Tb) 3-y "' Ce y"'' (Al, Ga) 5 O 12 , preferably (Lu, Y) 3 y "' Ce y''' (Al, Ga) 5 O 12 with 0.003 ⁇ y''' ⁇ 0.6.
  • the color locations of the green phosphors are, for example, when excited with a primary radiation of a
  • the color locations of the green phosphors are, for example, when excited with a primary radiation of a
  • Converting electromagnetic secondary radiation means that the electromagnetic primary radiation is partially absorbed by the converter materials or the phosphors and emitted as secondary radiation having a wavelength range at least partially different from the primary radiation.
  • the optoelectronic component emits a total radiation, which is composed of the primary radiation and the secondary radiation or only of the secondary radiation.
  • the device is adapted to operate in a white
  • the total white radiation has a correlated color temperature between 4000 K and 30,000 K.
  • the semiconductor chip is a layer sequence with an active one
  • Lighting device an electromagnetic
  • 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 are arranged one above the other and wherein at least one active layer is contained, the primary electromagnetic radiation
  • 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 have at least one active layer based on InGaAlN can, for example, be electromagnetic radiation in a blue one
  • 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.
  • the structures described here, the active layer or the further functional layers and regions are the person skilled in particular
  • the emitted primary radiation of the semiconductor chip or of the active layer of the layer sequence lies in the blue region of the electromagnetic spectrum. In the blue area of the electromagnetic
  • Spectrum can mean that the emitted
  • Primary radiation has a peak wavelength between 420 nm and 480 nm inclusive, preferably between 430 nm inclusive and 460 nm inclusive, more preferably between 440 nm inclusive and 455 nm inclusive. According to at least one embodiment, the
  • Conversion element is arranged.
  • the fact that a layer or an element is arranged or applied "on” or “above” another layer or another element may mean here and below in that the one layer or element is arranged directly in direct mechanical and / or electrical contact with the other layer or element.
  • the one layer or the one element is arranged indirectly on or above the other layer or the other element. In this case, further layers and / or elements can then be arranged between the one or the other layer or between the one or the other element.
  • the main radiation exit surface is a main surface of the semiconductor chip or of the layer sequence. The main radiation exit surface extends in particular parallel to a main extension plane of the
  • the conversion element has a direct mechanical contact with the semiconductor chip
  • the conversion element is
  • the conversion element comprises a matrix material.
  • the converter materials can be found in the
  • Distributed matrix material for example, they are distributed homogeneously or randomly in the matrix material.
  • the matrix material is both transparent to the primary radiation and to the secondary radiation and is for example selected from a group of materials consisting of: glasses, silicones, epoxy resins, polysilazanes, polymethacrylates and polycarbonates and combinations thereof.
  • Transparent means that the matrix material is at least partially permeable to the primary radiation as well as to the secondary radiation. According to at least one embodiment, the
  • Converter materials in the conversion element homogeneously or randomly distributed.
  • the converter materials are distributed with a concentration gradient in the conversion element.
  • Converter material downstream of the second converter material to reduce absorption losses.
  • the converter material downstream of the second converter material to reduce absorption losses.
  • the particles of the phosphors can independently of one another have an average particle size between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 40 ⁇ m, particularly preferably between 8 ⁇ m and 35 ⁇ m. With these grain sizes, the
  • this consists
  • the platelet has a thickness of 1 .mu.m to 1 mm, preferably 10 .mu.m to 300 .mu.m, particularly preferably 25 .mu.m to 200 .mu.m.
  • 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.
  • Conversion element to act a ceramic plate By this is meant that the slide off
  • the platelet comprises a
  • Matrix material for example silicone, in which the
  • Converter materials are embedded.
  • the plate may also consist of the matrix material and the converter materials. In accordance with at least one embodiment, this is
  • Conversion element formed as a small plate, which is disposed over the semiconductor chip or the layer sequence.
  • the conversion element can be formed as platelets mounted directly on the semiconductor chip or the layer sequence. It is possible that the platelet covers the entire surface, especially the
  • the optoelectronic component may comprise a housing.
  • a recess may be present in the middle.
  • the semiconductor chip may be mounted in the recess. It is also possible that one or more others
  • the recess may also consist of an airspace.
  • the conversion element is arranged above the recess of the housing. At this
  • Semiconductor chip or the layer sequence, that is, that between the conversion element and the semiconductor chip may be a distance. In other words that's it
  • the conversion element is part of a casting of the semiconductor chip or the
  • Conversion element forms the potting.
  • the conversion element is formed as a layer. The layer can over the
  • the component comprises a second or a plurality of further semiconductor chips.
  • the optoelectronic component is a light-emitting component
  • the color filter system is a color filter system for one
  • the color filter system is color filter systems of the colors red, green and blue or red, green, blue and yellow. In one embodiment, the color filter system has a transmission half-width in the range of 70 to 120 nm for the colors red, green, blue or red, green, blue and yellow. In one embodiment, the emission of the
  • the specified embodiments of the optoelectronic component may be part of a lighting unit, for example for a television, computer monitor, a tablet or a smartphone.
  • the features mentioned under the component also apply to the lighting unit and vice versa.
  • An illumination unit comprises an optoelectronic component described here and a color filter system, in particular an LCD color filter system.
  • the color filter system is usually used to subpixels one
  • Lighting unit for example, a television
  • Computers, tablets or smartphones form, with the subpixels emit the colors blue, green, red and / or blue, green, yellow and red.
  • the light source for the individual subpixels in this case forms the optoelectronic component.
  • the secondary radiation or the secondary radiation and the primary radiation pass through the color filter system. All the electromagnetic radiation generated by the Filter system passes, is called radiation of a
  • Figures 5 to 6 show schematic side views
  • FIG. 1 shows an emission spectrum of a
  • Embodiment of an optoelectronic device shown.
  • the wavelength ⁇ is plotted in nm on the x-axis and the emission E on the y-axis. Shown are the primary radiation I, the secondary radiation of the first
  • Spectral II G the secondary radiation of the first red phosphor (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6: Mn 4+ II R1 and the second red phosphor (Sr, Ca) 1-x '''' Eu x '''' [LiAl 3 N 4 ] with 0.001 ⁇ x ''' ⁇ 0.2 II R2 .
  • the emission spectra I, II G, II R1 and II R2 show a low half-width and a high overlap with the transmission range of a standard blue filter, a
  • Brightness can be achieved because the dominant wavelength of the first red phosphor is closer to the maximum of the eye sensitivity at 555 nm compared to the second red phosphor, whereby the total emitted secondary radiation in the red spectral region has a higher overlap with the
  • Eye sensitivity curve Due to the narrowband emission of the second red phosphor with a
  • Half width below 60 nm is no or only slightly radiation outside the visible spectral range, which increases the luminescence efficiency of the device.
  • Embodiment of an optoelectronic component shown.
  • the wavelength ⁇ is plotted in nm on the x-axis and the emission E on the y-axis. Shown are the primary radiation I, the secondary radiation of the first
  • Spectral II G the secondary radiation of the first red phosphor (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6: Mn 4+ II R1 and the second red phosphor [Sr (Sr a Ca 1-a)] 1-x Eu x Si 2 Al 2 N 6 with 0.5 ⁇ a ⁇ 1 and 0.001 ⁇ x ⁇ 0.2 II R 2.
  • the emission spectra I, II G, II R1 and II R2 are very narrow band and show a high overlap with the transmission range of a standard blue filter, a standard green filter and a standard red filter, respectively.
  • emissions I and II show G
  • the emission peaks of the first and the second red phosphor advantageously show a very large overlap with the transmission range of a standard red filter, so that only little light is lost and the achievable color space is large.
  • the use of (Ca, Sr) AlSiN 3 : Eu as the second red phosphor has proved to be less suitable, since this with a
  • FIG. 3 shows an emission spectrum of a
  • Embodiment of an optoelectronic device shown.
  • the wavelength ⁇ is plotted in nm on the x-axis and the emission E on the y-axis. Shown are the primary radiation I, the secondary radiation of the first
  • Converter material converter particles with a
  • Quantum structure with barrier layers and quantum layers which are alternately arranged, II in the green spectral range G, the secondary radiation of the first red phosphor (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6: Mn 4+ II R1 and the second red phosphor [Sr ( Sr a Ca 1-a )] 1-x Eu x Si 2 Al 2 N 6 with 0.5 ⁇ a ⁇ 1 and 0.001 ⁇ x ⁇ 0.2 II R 2.
  • the emissions I, II G, II R1 and II R2 are very narrow band and show a high overlap with the transmission range of a standard blue filter, a standard green filter or a standard red filter. In addition, the emissions I and II G and II G and II R1 and II R2 hardly overlap with each other, creating a high
  • Color saturation of the individual colors can be achieved because the individual emissions spectrally only or almost only one color of a color filter system respond. Superposed gives I, II G, II R1 and II R2, the total white radiation E W.
  • Emissions of the first and second red phosphors are little or no radiation outside the visible spectral region, which increases the luminescent efficiency of the device.
  • the emission peaks of the first and the second red phosphor advantageously show a very large overlap with the transmission range of a standard red filter, so that only little light is lost and the achievable color space is large.
  • the use of (Ca, Sr) AlSiN 3 : Eu as the second red phosphor proved less suitable, since this with a
  • FIG. 4 shows an emission spectrum of a
  • Embodiment of an optoelectronic device shown.
  • the wavelength ⁇ is plotted in nm on the x-axis and the emission E on the y-axis. Shown are the primary radiation I, the secondary radiation of the first
  • Converter material converter particles with a
  • Quantum structure with barrier layers and quantum layers which are alternately arranged, II in the green spectral range G, the secondary radiation of the first red phosphor (K, Na) 2 (Si, Ti) F 6: Mn 4+ II R1 and the second red phosphor (Sr, Ca) 1-x "''' Eu x'''' [LiAl 3 N 4 ] with 0.001 ⁇ x''' ⁇ 0.2 II R2 .
  • the emissions I, II G, II R1 and II R2 are very narrow band and show a high overlap with the transmission range of a standard blue filter, a standard green filter or a standard red filter. In addition, the emissions I and II G and II G and II R1 and II R2 hardly overlap with each other, creating a high
  • Color saturation of the individual colors can be achieved because the individual emissions spectrally only or almost only one color of a color filter system respond. Superposed gives I, II G, II R1 and II R2, the total white radiation E W.
  • Half width below 60 nm is no or only slightly radiation outside the visible spectral range, which increases the luminescence efficiency of the device.
  • Optoelectronic component 1 has a semiconductor chip 2, which in the operation of the device, a primary radiation in the blue region of the electromagnetic spectrum
  • the semiconductor chip is based on aluminum-indium-gallium-nitride.
  • the semiconductor chip 2 is mounted on a first terminal 4 and a second terminal 5 and electrically contacted with these terminals.
  • the connections 4, 5 are electrically connected to vias 4a and 5a.
  • the first and the second electrical connection 4, 5 are embedded in a light-impermeable, for example prefabricated, housing 10 with a recess 11. Under prefabricated is to be understood that the housing 10 is already formed on the terminals 4 and 5, for example by means of injection molding, before the semiconductor chip 2 is mounted on the terminals 4, 5.
  • the housing includes, for example, a
  • the terminals 4, 5 are formed from a metal which has a reflectivity for the blue primary radiation greater than 60%, preferably greater than 70%, particularly preferably greater than 80%, for example silver or gold.
  • the conversion element 6 is formed in the embodiment of Figure 5 in the form of a potting, thereby filling the recess 11, as shown in Figure 5, from.
  • the conversion element 6 comprises a silicone or an epoxide in which particles of a green phosphor, in this case a green beta-SiAlON phosphor as the first converter material of the formula and particles of a second converter material are embedded.
  • the second converter material consists of a first phosphor of the formula K 2 SiF 6 : Mn 4+ and a second red phosphor of the formula (Sr, Ca) 1 ⁇ '''' Eux ''''' [LiAl 3 N 4] with 0.001 ⁇ x '''' ⁇ 0.2.
  • the particles of the beta-SiAlON phosphor convert the primary radiation partly to a secondary radiation in the green region of the electromagnetic spectrum and the second
  • Converter material partially converts the primary radiation to a secondary radiation in the red region of the
  • the superposition of the primary radiation and the secondary radiation in the green and red spectral range results in a white overall radiation.
  • the total radiation is emitted in this embodiment upwards over the conversion element 6.
  • Total radiation preferably has a color temperature of 4000 K to 30,000 K and is thus preferably in the vicinity of the Planck radiation curve or in the vicinity of the respective isotherms.
  • CIE color diagram (1931) are the
  • Color coordinates of the device for example, at the color coordinates in the range of Cx 0.15-0.40 and Cy 0.15-0.40, preferably in the range of Cx 0.20 to 0.37 and Cy 0.20 to 0.37.
  • the color locus denotes points in or on a color body, which in the color space with suitable coordinates in its position
  • the conversion element 6 is designed as a layer that is arranged above the semiconductor chip 2.
  • the layer is arranged above the main radiation exit surface of the semiconductor chip. It is possible that the layer also covers the sidewalls of the semiconductor chip (not shown here).
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, the invention includes every new feature as well as any combination of Features, which includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly in the

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement zur Emission einer weißen Gesamtstrahlung angegeben. Das Bauelement umfasst einen Halbleiterchip zur Emission einer Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 480 nm und ein Konversionselement umfassend ein erstes Konvertermaterial zur Emission von Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums und ein zweites Konvertermaterial zur Emission von Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Das zweite Konvertermaterial umfasst einen ersten roten Leuchtstoff der Formel (K, Na) 2 ( Si, Ti ) F6 : Mn4+ und einen zweiten roten Leuchtstoff der Formel (M`)2-x`Eux`Si2Al2N6, (M``)1-x``Eux``AlSiN3*Si2N2O, (M```)2-2x```Eu2x```Si5N8 oder (M````)1-x````Eux````[LiAl3N4].

Description

Beschreibung OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Optoelektronische Bauelemente, wie lichtemittierende Dioden (LEDs), die eine weiße Strahlung emittieren, werden
beispielsweise in Fernsehern, Tablets, Smartphones und
Computern für die Hinterleuchtung von LCD-Filtersystemen benutzt. Dabei gibt es unterschiedliche Anforderungen an die LED. Zwei wesentliche Aspekte sind zum einen die maximale Helligkeit und zum anderen die Abdeckung eines großen
Farbraums. Die herkömmlichen LCD-Filtersysteme bestehen aus drei beziehungsweise vier Farbfiltern (blau, grün und rot beziehungsweise blau, grün, gelb und rot). Die LCD-Filter können eine minimale spektrale, bzw. „Transmissions“- Halbwertsbreite (FWHM, full width at half maximum) im Bereich von typischerweise 70 bis 120 nm, in der die Transmission elektrisch gesteuert werden kann.Die Transmission ergibt sich aus der Superposition der drei Farbfilter, dadurch ergeben sich Bereiche des sichtbaren Spektrums, in denen keine vollständige Transmission erreicht wird. Das führt dazu, dass bei einem breitbandigen Spektrum der LED, die die Farbfilter hinterleuchtet, ein Anteil des emittierten Lichts vom Filter absorbiert wird. Um die maximale Lichtmenge aus der LED bei vollständig geöffneten LCD-Farbfiltern auf Bildschirmebene zu erhalten, werden schmalbandige Konversions- beziehungsweise Leuchtstoffe benötigt, die im Bereich der einzelnen
Filterkurven emittieren, um den absorbierten Lichtanteil zu minimieren. Um zudem eine hohe Farbsättigung zu erhalten, ist es wichtig, dass die einzelnen Emissionen der LED spektral jeweils möglichst nur einen der Farbfilter des Systems ansprechen. Auf diese Weise können nach der Filterung
gesättigtere Farben (rot, grün und blau) und damit größere Farbräume erreicht werden. Um weißes Licht mittels einer LED zu generieren, wird in der Regel ein Halbleiterchip, der schmalbandiges blaues Licht emittiert, verwendet. Anteile dieses blauen Lichts werden durch Leuchtstoffe in rotes und grünes Licht konvertiert, so dass insgesamt weißes Licht resultiert. Als rot emittierender Leuchtstoff ist es bekannt, (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ einzusetzen, der ein schmalbandiges Emissionsspektrum aufweist. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ einen
niedrigen Brechungsindex und ein relativ niedriges
Absorptionsvermögen für die Primärstrahlung aufweist, wodurch große Materialmengen benötigt werden. Zudem weist der
Leuchtstoff lange Abklingzeiten von 5 bis 10 ms auf.
Letzteres führt bei Display-Zusatzfunktionen, wie dem
sogenannten "Local Dimming", durch das Nachleuchten des
Leuchtstoffs zu Farbortverschiebungen. Eine weitere bekannte Lösung, um ein schmalbandiges LED- Spektrum, welches aus blauen, grünen und roten Anteilen besteht, zu erhalten, ist die Verwendung von drei
verschiedenfarbigen Halbleiterchips in einer LED, das heißt ohne Leuchtstoffkonversion. Ein wesentlicher Nachteil dieses Konzepts ist, das der hier verwendete rote InGaAlP-Chip starke Helligkeitsverluste über der Temperatur zeigt, wodurch der Farbort der gesamten LED stark schwankt. Somit wird eine komplexe und teure Treiberelektronik nötig, um dem
entgegenzusteuern. Außerdem müssen drei Chips statt einem elektrisch angesteuert werden. Diese Lösungen kommen vor allem bei direkt emittierenden Displays (eine LED entspricht einem Pixel), also ohne Farbfilter und LCD zum Einsatz und sind bei LCD Displays nur bedingt geeignet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines blauen Halbleiterchips, dessen Licht zum Teil in grünes Licht anhand eines Leuchtstoffs umgewandelt wird und einem roten Halbleiterchip in einem LED-Package. Die Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement
bereitzustellen, das eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte erhöhte Farbortstabilität und eine Abdeckung eines großen Farbraums aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement zur Hinterleuchtung von Farbfiltersystemen und eine Beleuchtungseinheit umfassend ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen. Die Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch die Verwendung eines optoelektronischen Bauelements zur Hinterleuchtung von LCD- Filtern mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch eine Beleuchtungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst einen Halbleiterchip und ein Konversionselement. Der Halbleiterchip ist dazu eingerichtet, im Betrieb des Bauelements eine Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 480 nm zu emittieren. Als Peakwellenlänge wird hier und im Folgenden die Wellenlänge eines Peaks bezeichnet, bei der die maximale Intensität des Peaks liegt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Konversionselement ein erstes Konvertermaterial, das dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des
elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Konversionselement ein zweites Konvertermaterial, das dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das zweite Konvertermaterial einen ersten roten Leuchtstoff der Formel (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und einen zweiten roten Leuchtstoff der Formel
- (M‘)2-x‘Eux‘Si2Al2N6 mit M‘ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘ ≤ 0,2, insbesondere [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit M = Ca, Ba, Zn und/oder Mg, 0,5 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,2, (M‘‘)1-x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O mit M‘‘ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘‘ ≤ 0,2,
- (M‘‘‘)2-2x‘‘‘Eu2x‘‘‘Si5N8 mit M‘‘‘ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2 oder
- (M‘‘‘‘)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] mit M‘‘‘‘ = Sr, Ca, Ba,
und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2.
Das zweite Konvertermaterial kann auch aus dem ersten roten Leuchtstoff und dem zweiten roten Leuchtstoff bestehen. Durch die Kombination von zumindest zwei roten Leuchtstoffen des zweiten Konvertermaterials kann einerseits die
alterungsbedingte Farbortstabilität des optoelektronischen Bauelements verbessert werden, andererseits kann die hohe Leuchtstofffüllmenge bedingt durch die niedrige Absorption des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ reduziert werden. Die Nachteile, die mit der alleinigen Verwendung des roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ als rotes
Konvertermaterial einhergehen, können damit erfindungsgemäß durch die Verwendung von zwei roten Leuchtstoffen kompensiert beziehungsweise weitgehend kompensiert werden. Mit Vorteil weisen die zweiten roten Leuchtstoffe eine kurze Abklingzeit auf, beispielsweise eine Abklingzeit zwischen 1 und 20 µsec, so dass die Farbortverschiebung bei Funktionen wie "Local Dimming" verringert werden kann. Beim so genannten "Local Dimming" werden einzelne optoelektronische
Bauelemente, beispielsweise lichtemittierende Dioden, in einem Display mit einer hohen Frequenz an- und abgeschaltet oder in der Leuchtstärke reguliert, um den Kontrast zu erhöhen. Durch die kurzen Abklingzeiten der zweiten roten Leuchtstoffe kommt es vorteilhafterweise nicht zu einem
Nachleuchten bei dem hochfrequenten An- und Abschalten der lichtemittierenden Dioden und den damit verbundenen
Farbortverschiebungen. Das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement eignet sich damit insbesondere zur Hinterleuchtung von Displays, insbesondere LCD Displays, mit Local-Dimming- Funktionen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das zweite Konvertermaterial einen ersten roten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+. Gemäß einer Ausführungsform weisen die zweiten roten
Leuchtstoffe eine Sekundärstrahlung mit einer spektral schmalbandigen Emission beispielsweise mit einer
Halbwertsbreite (full width at half maximum, FWHM) von kleiner 90, bevorzugt keiner 80, besonders bevorzugt kleiner 70 nm auf. Damit zeigen die Emissionspeaks der zweiten
Leuchtstoffe insbesondere eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Zusätzlich liegt insbesondere auch die Sekundärstrahlung des sehr schmalbandig emittierenden ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ innerhalb des Transmissionsbereichs eines Standard-Rotfilters, so dass der erreichbare Farbraum mit Vorteil nochmals vergrößert wird. Durch den Einsatz des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs als zweites
Konvertermaterial kann damit ein besonders großer Farbraum abgedeckt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel (M‘)2-x‘Eux‘Si2Al2N6 mit M‘ = Sr und/oder Ca und 0,001 ≤ x‘ ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1 auf.
Besonders bevorzugt weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 auf, mit M = Ca, 0,5 ≤ a ≤ 1, bevorzugt 0,7 ≤ a < 1, besonders bevorzugt 0,8 ≤ a < 1, und 0,001 ≤ x ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1. Der zweite rote Leuchtstoff der Formel [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 kristallisiert insbesondere in der Raumgruppe P1, P2, P21 oder P1, besonders bevorzugt in der Raumgruppe P21. Die Halbwertsbreite liegt für [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 beispielsweise bei etwa 80 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der rote
Leuchtstoff die Formel (M‘‘)1-x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O mit M‘‘ = Sr und/oder Ca und 0,001 ≤ x‘‘ ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1, auf. Die Halbwertsbreite liegt für (M‘‘)1-x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O beispielsweise unter 90 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel (M‘‘‘)2-2x‘‘‘Eu2x‘‘‘Si5N8 mit M‘‘‘ = Sr, Ca und/oder Ba und 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1, auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite rote Leuchtstoff die Formel (M‘‘‘‘)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] mit M‘‘‘‘ = Sr und/oder Ca und 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1, auf. Die Halbwertsbreite liegt für (M‘‘‘‘)1- x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] bevorzugt unter 60 nm, beispielsweise bei etwa 50 nm. Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe liegen beispielweise bei einer Anregung mit einer
Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 590 nm bis 640 nm. Die Dominanzwellenlänge ist eine Möglichkeit, nichtspektrale (polychromatische) Lichtmischungen durch spektrales
(monochromatisches) Licht, welches eine ähnliche
Farbtonwahrnehmung erzeugt, zu beschreiben. Im CIE-Farbraum kann die Linie, die einen Punkt für eine bestimmte Farbe und den Punkt Cx = 0.333, Cy = 0.333 verbindet, so extrapoliert werden, dass sie den Umriss des Raums in zwei Punkten trifft. Der Schnittpunkt, der näher an der besagten Farbe liegt, repräsentiert die Dominanzwellenlänge der Farbe als
Wellenlänge der reinen spektralen Farbe an diesem
Schnittpunkt. Die Dominanzwellenlänge ist also die
Wellenlänge, die von dem menschlichen Auge wahrgenommen wird. Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe können sich gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 595 nm bis 625 nm für (M‘)2-x‘Eux‘Si2Al2N6, bevorzugt [Sr(SraM1-a)]1- xEuxSi2Al2N6, besonders bevorzugt [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6, oder (M‘‘)1-x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O, bevorzugt (Sr,Ca)1- x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O, befinden. Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe können sich gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 623 nm bis 633 nm für die zweiten roten Leuchtstoffe (M‘‘‘‘)1- x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4], bevorzugt (Sr,Ca) 1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4], befinden. Die Dominanzwellenlängen der zweiten roten Leuchtstoffe können sich gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 590 nm bis 610 nm für die zweiten roten Leuchtstoffe (M‘‘‘)2- 2x‘‘‘Eu2x‘‘‘Si5N8, bevorzugt (Ca,Ba,Sr)2-2x‘‘‘Eu2x‘‘‘Si5N8, befinden. Die Farborte der zweiten roten Leuchtstoffe liegen
beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.595 - 0.625; Cy = 0.370 - 0.400 beziehungsweise im Bereich von Cx = 0.655 - 0.685; Cy = 0.300 - 0.350 beziehungsweise im Bereich von Cx = 0.620 - 0.655; Cy = 0.340 - 0.370 für die zweiten roten Leuchtstoffe (M‘)2-x‘Eux‘Si2Al2N6, bevorzugt [Sr(SraM1-a)]1- xEuxSi2Al2N6, besonders bevorzugt [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6, oder (M‘‘)1-x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O, bevorzugt (Sr,Ca)1- x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O. Die hier und im Folgenden genannten Cx- und Cy-Werte beziehen sich bevorzugt auf die CIE- Normfarbtafel von 1931. Die Farborte der zweiten roten Leuchtstoffe liegen
beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.680 - 0.715; Cy = 0.280 - 0.320 für die zweiten roten Leuchtstoffe (M‘‘‘‘)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4], bevorzugt (Sr,Ca) 1-
Figure imgf000011_0001
Die Farborte der zweiten roten Leuchtstoffe liegen
beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.610 - 0.650; Cy = 0.340 - 0.380 für den zweiten roten Leuchtstoff (M‘‘‘)2-2x‘‘‘Eu2x‘‘‘Si5N8, bevorzugt (Ca,Ba,Sr)2-2x‘‘‘Eu2x‘‘‘Si5N8. Die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs
(K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+, bevorzugt K2SiF6:Mn4+, befindet sich beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 610 - 630 nm. Die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs
(K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ befindet sich bevorzugt im Bereich von 617 - 624 nm. Der Farbort des ersten roten Leuchtstoffs liegt beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.680 - 0.710; Cy = 0.290 - 0.330. Die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs liegt gemäß zumindest einer Ausführungsform bei kürzeren
Wellenlängen als die Dominanzwellenlänge des zweiten roten Leuchtstoffs. Die Dominanzwellenlänge des ersten roten
Leuchtstoffs liegt damit im Vergleich zur Dominanzwellenlänge des zweiten roten Leuchtstoffs näher am Maximum der
Augenempfindlichkeit bei 555 nm, wodurch die emittierte
Strahlung einen höheren Überlapp mit der
Augenempfindlichkeitskurve aufweist und somit als heller empfunden wird. Insgesamt wird von dem Bauelement damit eine Gesamtstrahlung emittiert, die als heller empfunden wird, im Vergleich zu der Gesamtstrahlung eines Bauelements, das als roter Leuchtstoff nur den zweiten roten Leuchtstoff enthält. Durch die schmalbandige Emission in Kombination mit den genannten Dominanzwellenlängen des ersten roten Leuchtstoffs und der zweiten roten Leuchtstoffe emittieren diese keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren
Spektralbereichs. Damit liegen alle oder nahezu alle
emittierten Photonen im Sensitivitätsbereich des menschlichen Auges, was die Effizienzverluste durch Emission im
nichtsichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausschließt beziehungsweise minimiert. Dadurch wird eine hohe Lumineszenzeffizienz erzielt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die
Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung des ersten
Konvertermaterials in einem Bereich von 500 bis 600 nm, bevorzugt in einem Bereich von 510 bis 580 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 520 und 550 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste
Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten oder einen grünen Leuchtstoff. Das erste Konvertermaterial kann auch aus
Konverterpartikeln mit einer Quantenstruktur mit
Barriereschichten und Quantenschichten oder einem grünen Leuchtstoff bestehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das erste
Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten auf, wobei die Barriereschichten und Quantenschichten alternierend
angeordnet sind. Die Quantenschichten und die Barriereschichten bilden somit eine Mehrfachquantentopf- Struktur. Die Quantenstruktur kann auch aus den
Quantenschichten und den Barriereschichten bestehen. Die Quantenschichten können auch als Quantentöpfe oder
Quantentröge bezeichnet werden und sind bevorzugt
zweidimensionale Quantenstrukturen. Das heißt, eine Dicke der Quantenschichten ist dann sehr viel kleiner als laterale Ausdehnungen der Quantenschichten. Insbesondere handelt es sich bei den Konverterpartikeln nicht um Quantenpunkte.
Quantenpunkte sind näherungsweise nulldimensional, im
Gegensatz zu den zweidimensionalen Quantenstrukturen. Durch die Quantenstruktur der Konverterpartikel kann eine spektral schmalbandige Emission beispielsweise mit einer Halbwertsbreite (full width at half maximum, FWHM) von kleiner 50 nm, insbesondere im Bereich von 30 nm, im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzielt werden. Die Emissionspeaks der Konverterpartikel zeigen damit
insbesondere eine sehr große Überlappung mit dem
Transmissionsbereich eines Standard-Grünfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Quantenschichten InxGa1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4, auf oder die Quantenschichten bestehen aus InxGa1-xN mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5, bevorzugt 0,2 ≤ x ≤ 0,4. Die
Quantenschichten sind durch ihre Zusammensetzung für die Wellenlänge der Sekundärstrahlung verantwortlich.
Insbesondere bestimmt der Indiumgehalt die Wellenlänge der Sekundärstrahlung. So liegt die Peakwellenlänge der
Sekundärstrahlung beispielsweise bei λ = 490 nm bei einem Indiumgehalt von etwa 20 mol% in Bezug auf die Gesamtmenge an Gallium und Indium, das heißt bei x = 0,2 und einer Dicke der Quantenschicht von 2 nm bis 5 nm. Die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung liegt beispielsweise bei 580 nm bei einem Indiumgehalt von 40 mol% in Bezug auf die Gesamtmenge an Gallium und Indium, das heißt bei x = 0,2 und einer Dicke der Quantenschicht von 2 nm bis 5 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Quantenschichten eine Schichtdicke von einschließlich 2,0 nm bis einschließlich 5 nm, bevorzugt von einschließlich 2,0 nm bis einschließlich 4,0 nm, besonders bevorzugt von
einschließlich 2,5 nm bis einschließlich 3,5 nm auf.
Beispielsweise weisen die Quantenschichten eine Schichtdicke von beispielsweise 2,9 nm auf. Überschreitet die Schichtdicke einer Quantenschicht 5 nm, sinkt die interne
Quanteneffizienz. Liegt die Schichtdicke einer Quantenschicht unter 2,0 nm, steigt die Bandlücke, dadurch wird die
Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung zu kürzeren
Wellenlängen verschoben und es ist ein höherer Indiumgehalt der Quantenschicht notwendig, um die gewünschte
Peakwellenlänge zu erreichen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Barriereschichten AlyGa1-yN mit 0,0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,4, besonders bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,3, ganz besonders bevorzugt y = 0 auf oder bestehen aus diesem Material. Ganz besonders bevorzugt umfassen die Barriereschichten GaN oder bestehen aus GaN. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Barriereschichten eine Schichtdicke von einschließlich 1,5 nm bis einschließlich 100 nm auf, bevorzugt von einschließlich 1,5 nm bis einschließlich 17, 5 nm beispielsweise 16 nm oder 17 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden eine
Barriereschicht und eine Quantenschicht jeweils eine
Doppelschicht. Bevorzugt weisen die Konverterpartikel
einschließlich fünf bis einschließlich 200 Doppelschichten auf. Je nach Anzahl der Doppelschichten kann der gewünschte Anteil an Primärstrahlung, der auf den Konverterpartikel trifft und in Sekundärstrahlung konvertiert wird, an die gewünschten Anforderungen angepasst werden. Mit Vorteil ist es somit sehr einfach möglich, den Konversionsgrad der
Konverterpartikel einzustellen. Eine Vollkonversion der Primärstrahlung kann erfolgen, wenn die Quantenstruktur 120 bis 200 Doppelschichten umfasst oder daraus besteht. Eine Teilkonversion kann erfolgen, wenn die Quantenstruktur fünf bis 120, bevorzugt zehn bis 50
Doppelschichten umfasst oder daraus besteht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine
Doppelschicht eine Schichtdicke von einschließlich 3,5 nm bis einschließlich 105 nm, bevorzugt von einschließlich 3,5 nm bis einschließlich 21,5 nm auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die
Konverterpartikel eine Pufferschicht. Die Pufferschicht kann aus AlyGa1-yN mit 0 ≤ y ≤ 0,5, bevorzugt 0,0 ≤
y ≤ 0,4, besonders bevorzugt 0,0 ≤ y ≤ 0,3, ganz besonders bevorzugt y = 0 bestehen oder dieses Material aufweisen.
Bevorzugt weist die Pufferschicht dasselbe Material auf wie die Barriereschichten. Die Quantenstruktur ist bevorzugt über der Pufferschicht angeordnet, wobei eine Quantenschicht über der Pufferschicht angeordnet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die Quantenstruktur auf einem Substrat angeordnet und/oder aufgewachsen. Bevorzugt ist die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die
Quantenstruktur epitaktisch gewachsen, zum Beispiel auf einem lichtdurchlässigen Aufwachssubstrat wie Saphir. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Sekundärstrahlung der Konverterpartikel im grünen
Spektralbereich eine Halbwertsbreite von mindestens 15 nm oder 20 nm oder 25 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Halbwertswerte der Sekundärstrahlung der
Konverterpartikel bei höchstens 50 nm oder 40 nm oder 30 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das erste
Konvertermaterial einen grünen Leuchtstoff auf, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Orthosilikate,
Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONe und Granate umfasst oder das erste Konvertermaterial besteht aus einem grünen
Leuchtstoff, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die
Orthosilikate, Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONe und Granate umfasst. Mit Vorteil weisen diese grünen Leuchtstoffe für das erste Konvertermaterial Halbwertsbreiten von weniger als 90 nm, bevorzugt von weniger als 70 nm, besonders bevorzugt unter 60 nm auf. Die Emissionspeaks der grünen Leuchtstoffe zeigen damit insbesondere eine sehr große Überlappung mit dem
Transmissionsbereich eines Standard-Grünfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste
Konvertermaterial einen grünen Orthosilikatleuchtstoff der Formel (AE)2-yEuySiO4 mit AE = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg,
bevorzugt AE = Sr und/oder Ba und 0,001 ≤ y ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ y ≤ 0,1. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste
Konvertermaterial einen grünen Nitridoorthosilikatleuchtstoff der Formel (AE)2-b-y‘(RE)bEuy‘SiO4-bNb mit AE = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y‘ ≤ 0,4, 0 ≤ b < 2-y‘, bevorzugt b = 0 oder (AE‘)2-c-y‘‘(RE‘)xEuy‘‘Si1-dO4-c-2dNc mit AE‘ = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE‘ = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y‘‘ ≤ 0,4, 0 ≤ c < 2-y‘‘ , bevorzugt c = 0, und 0 ≤ d < 1. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste
Konvertermaterial einen grünen beta-SiAlON-Leuchtstoff der Formel Si6-z-2y‘‘‘Euy‘‘‘AlzOzN8-z mit 0 ≤ z ≤ 6 und 0,001 ≤ y‘‘‘ ≤ 0,2. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erste
Konvertermaterial einen grünen Granat-Leuchtstoff der Formel (Lu,Y,Gd,Tb)3-y‘‘‘‘Cey‘‘‘‘(Al,Ga)5O12, bevorzugt (Lu,Y)3- y‘‘‘‘Cey‘‘‘‘(Al,Ga)5O12 mit 0,003 ≤ y‘‘‘‘ ≤ 0,6. Die Farborte der grünen Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer
Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.280 - 0.330; Cy = 0.630 - 0.680 oder Cx = 0.330 - 0.380; Cy = 0.590 - 0.650 für die grünen beta-SiAlON-Leuchtstoffe oder die grünen Orthosilikatleuchtstoffe der Formel (AE)2-yEuySiO4 mit AE = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg, bevorzugt AE = Sr und/oder Ba. Die Farborte der grünen Leuchtstoffe liegen beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer
Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von Cx = 0.340 - 0.380; Cy = 0.550 - 0.580 für die grünen Granatleuchtstoffe der Formel (Lu,Y,Gd,Tb)3-y‘‘‘‘Cey‘‘‘‘(Al,Ga)5O12, bevorzugt (Lu,Y)3-
Figure imgf000018_0001
Dass ein Konvertermaterial oder ein Leuchtstoff die
elektromagnetische Primärstrahlung teilweise in eine
elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert, bedeutet, dass die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise von den Konvertermaterialien oder den Leuchtstoffen absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird. Bei dieser sogenannten Teilkonversion emittiert das optoelektronische Bauelement eine Gesamtstrahlung, die sich aus der Primärstrahlung und den Sekundärstrahlungen oder nur aus den Sekundärstrahlungen zusammensetzt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauelement dazu eingerichtet, in dessen Betrieb eine weiße
Gesamtstrahlung zu emittieren. Damit eignet sich das
Bauelement insbesondere für dessen Anwendung zur
Hinterleuchtung von Displays, insbesondere LCD Displays.
Bevorzugt weist die weiße Gesamtstrahlung eine korrelierte Farbtemperatur zwischen 4000 K und 30000 K auf.
Beispielsweise liegt der Farbort der weißen Gesamtstrahlung im Bereich von Cx = 0,15 - 0,40 und Cy = 0,15 - 0,40,
bevorzugt Cx = 0,20 - 0,37 und Cy = 0,20 - 0,37. Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um eine Schichtenfolge mit einer aktiven
Schicht, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb der
Beleuchtungsvorrichtung eine elektromagnetische
Primärstrahlung zu emittieren. 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 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 InxAlyGa1-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 Strahlung in einem blauen
Wellenlängenbereich emittieren. 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. In einer Ausführungsform liegt die emittierte Primärstrahlung des Halbleiterchips beziehungsweise der aktiven Schicht der Schichtenfolge im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Im blauen Bereich des elektromagnetischen
Spektrums kann dabei bedeuten, dass die emittierte
Primärstrahlung eine Peakwellenlänge zwischen 420 nm und einschließlich 480 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 430 nm und einschließlich 460 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 440 nm und einschließlich 455 nm, aufweist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip beziehungsweise die Schichtenfolge eine
Hauptstrahlungsaustrittsfläche auf, über der das
Konversionselement angeordnet ist. Dass eine Schicht oder ein Element "auf" oder "über" einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist.
Weiter kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen oder der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen oder dem anderen Element angeordnet sein. Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche ist dabei eine Hauptfläche des Halbleiterchips beziehungsweise der Schichtenfolge. Die Hauptstrahlungsaustrittsfläche erstreckt sich insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsebene der
Halbleiterschichten der Schichtenfolge. Beispielsweise tritt mindestens 51 % oder 90 % der die Schichtenfolge verlassenden Primärstrahlung über die Hauptstrahlungsaustrittsfläche aus der Schichtenfolge heraus. In einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen direkten mechanischen Kontakt zu dem Halbleiterchip
beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere zu der
Hauptstrahlungsaustrittfläche, auf. In einer Ausführungsform ist das Konversionselement
vollflächig über dem Halbleiterchip beziehungsweise der
Schichtenfolge, insbesondere dessen oder deren
Hauptstrahlungsaustrittfläche angeordnet. In einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein Matrixmaterial. Die Konvertermaterialien können in dem
Matrixmaterial verteilt sein, beispielsweise sind sie in dem Matrixmaterial homogen oder zufällig verteilt. Das Matrixmaterial ist sowohl transparent für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlungen und ist beispielsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus: Gläser, Silikone, Epoxidharze, Polysilazane, Polymethacrylate und Polycarbonate sowie Kombinationen davon. Unter transparent wird verstanden, dass das Matrixmaterial zumindest teilweise durchlässig für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlungen ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Konvertermaterialien in dem Konversionselement homogen oder zufällig verteilt. In einer Ausführungsform sind die Konvertermaterialien mit einem Konzentrationsgradienten in dem Konversionselement verteilt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste
Konvertermaterial dem zweiten Konvertermaterial nachgeordnet, um Absorptionsverluste zu verringern. In einer Ausführungsform handelt es sich bei den
Leuchtstoffen um Partikel der entsprechenden Leuchtstoffe. Die Partikel der Leuchtstoffe können unabhängig voneinander eine mittlere Korngröße zwischen 1 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 40 µm, besonders bevorzugt zwischen 8 µm und 35 µm, aufweisen. Mit diesen Korngrößen wird die
Primärstrahlung beziehungsweise die Sekundärstrahlung an diesen Partikeln vorteilhafterweise wenig oder hauptsächlich in Vorwärtsrichtung gestreut, was Effizienzverluste
verringert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das
Konversionselement aus den Konvertermaterialien und dem Matrixmaterial. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet. In einer Ausführungsform hat das Plättchen eine Dicke von 1 µm bis 1 mm, bevorzugt 10 µm bis 300 µm, besonders bevorzugt 25 µm bis 200 µm. Die Schichtdicke des gesamten Plättchens kann gleichmäßig sein. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem
Konversionselement um ein keramisches Plättchen handeln. Darunter ist zu verstehen, dass das Plättchen aus
zusammengesinterten Partikeln der Konvertermaterialien besteht. In einer Ausführungsform umfasst das Plättchen ein
Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, in dem die
Konvertermaterialien eingebettet sind. Das Plättchen kann auch aus dem Matrixmaterial und den Konvertermaterialien bestehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet, das über dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge angeordnet ist. Das Konversionselement kann als Plättchen ausgeformt direkt auf dem Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge angebracht sein. Es ist möglich, dass das Plättchen die gesamte Oberfläche, insbesondere die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips
beziehungsweise der Schichtenfolge vollständig bedeckt. Das optoelektronische Bauelement kann ein Gehäuse umfassen. In dem Gehäuse kann in der Mitte eine Ausnehmung vorhanden sein. Der Halbleiterchip kann in der Ausnehmung angebracht sein. Möglich ist auch, dass eine oder mehrere weitere
Halbleiterchips in der Ausnehmung angebracht sind. Es ist möglich, dass die Ausnehmung mit einem den
Halbleiterchip beziehungsweise die Schichtenfolge abdeckenden Verguss aufgefüllt ist. Die Ausnehmung kann aber auch aus einem Luftraum bestehen. In einer Ausführungsform ist das Konversionselement über der Ausnehmung des Gehäuses angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform besteht insbesondere kein direkter und/oder formschlüssiger Kontakt des Konversionselements mit dem
Halbleiterchip beziehungsweise der Schichtenfolge, das heißt dass zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterchip ein Abstand bestehen kann. Mit anderen Worten ist das
Konversionselement dem Halbleiterchip nachgeordnet und wird von der Primärstrahlung angestrahlt. Zwischen dem
Konversionselement und dem Halbleiterchip kann dann ein
Verguss oder ein Luftspalt ausgebildet sein. Diese Anordnung kann auch als "Remote Phosphor Conversion" bezeichnet werden. In einer Ausführungsform ist das Konversionselement Teil eines Vergusses des Halbleiterchips oder das
Konversionselement bildet den Verguss. In einer Ausführungsform ist das Konversionselement als eine Schicht ausgebildet. Die Schicht kann über der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips oder über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche und den Seitenflächen des Halbleiterchips angeordnet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Bauelement einen zweiten oder mehrere weitere Halbleiterchips. Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine lichtemittierende
Diode, kurz LED. Die angegebenen Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements können für nachfolgend genannte Verwendung eingesetzt werden. Alle Merkmale des optoelektronischen
Bauelements gelten auch für dessen Verwendung und umgekehrt. Es wird die Verwendung eines optoelektronischen Bauelements gemäß den oben genannten Ausführungsformen zur
Hinterleuchtung eines Farbfiltersystems, insbesondere eines LCD-Farbfiltersystems beziehungsweise ein Farbfiltersystem eines Displays angegeben. In einer Ausführungsform der Verwendung handelt es sich bei dem Farbfiltersystem um ein Farbfiltersystem für einen
Computermonitor, einen Fernseher, ein Tablet oder ein
Smartphone. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Farbfiltersystem um Farbfiltersysteme der Farben Rot, Grün und Blau oder Rot, Grün, Blau und Gelb. In einer Ausführungsform besitzt das Farbfiltersystem eine Transmissions-Halbwertsbreite im Bereich von 70 bis 120 nm für die Farben Rot, Grün, Blau oder Rot, Grün, Blau und Gelb. In einer Ausführungsform werden die Emission des
optoelektronischen Bauelements und die Transmission des
Farbfiltersystems so gewählt, dass sie bei ähnlichen
Wellenlängen liegen. Dadurch gibt es nur wenig Reabsorption am Farbfiltersystem. Die angegebenen Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements können Bestandteil einer Beleuchtungseinheit beispielsweise für einen Fernseher, Computermonitor, ein Tablet oder ein Smartphone sein. Die unter dem Bauelement genannten Merkmale gelten auch für die Beleuchtungseinheit und umgekehrt. Eine Beleuchtungseinheit umfasst ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement und ein Farbfiltersystem, insbesondere ein LCD-Farbfiltersystem. Das Farbfiltersystem dient in der Regel dazu, die Subpixel einer
Beleuchtungseinheit beispielsweise eines Fernsehers,
Computers, Tablets oder Smartphones zu bilden, wobei die Subpixel die Farben Blau, Grün, Rot und/oder Blau, Grün, Gelb und Rot aussenden. Die Lichtquelle für die einzelnen Subpixel bildet hierbei das optoelektronische Bauelement. Mit anderen Worten tritt die Sekundärstrahlung oder die Sekundärstrahlung und die Primärstrahlung durch das Farbfiltersystem hindurch. Die gesamte elektromagnetische Strahlung, die durch das Filtersystem hindurch tritt, wird als Strahlung eines
Transmissionsspektrums bezeichnet. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Figuren 1 bis 4 zeigen Emissionsspektren verschiedener
Ausführungsbeispiele von optoelektronischen Bauelementen, Figuren 5 bis 6 zeigen schematische Seitenansichten
verschiedener Ausführungsformen von optoelektronischen
Bauelementen. In Figur 1 ist ein Emissionsspektrum eines
Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten
Konvertermaterials, einem beta-SiAlON, im grünen
Spektralbereich IIG, die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] mit 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2 IIR2. Die Emissionsspektren I, IIG, IIR1 und IIR2 zeigen eine geringe Halbwertsbreite und eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines
Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard- Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionsspektren I und IIG beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe Farbsättigung der
einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen
Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines
Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG, IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW. Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,3263 und Cy = 0,2917 und einer korrelierten Farbtemperatur von 5896 K. Durch die Verwendung des ersten roten Leuchtstoffs und des zweiten roten Leuchtstoffs kann mit Vorteil ein großer Farbraum abgedeckt werden. Zudem kann eine hohe
Helligkeit erzielt werden, da die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs im Vergleich zu dem zweiten roten Leuchtstoff näher am Maximum der Augenempfindlichkeit bei 555 nm liegt, wodurch die gesamte emittierte Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich einen höheren Überlapp mit der
Augenempfindlichkeitskurve aufweist. Durch die schmalbandige Emission des zweiten roten Leuchtstoffs mit einer
Halbwertsbreite unter 60 nm liegt keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des Bauelements erhöht. Die
Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem
Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Einsatz des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] zwei wesentliche Aspekte für Hinterleuchtungsanwendungen erfüllt werden und zwar eine hohe Helligkeit und die Abdeckung eines großen Farbraums. Im Vergleich dazu hat sich der Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiter roter Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten. In Figur 2 ist ein Emissionsspektrum eines
Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten
Konvertermaterials, einem beta-SiAlON, im grünen
Spektralbereich IIG, die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit 0,5 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,2 IIR2. Die Emissionenspektren I, IIG, IIR1 und IIR2 sind sehr schmalbandig und zeigen eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard- Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionen I und IIG
beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe Farbsättigung der
einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen
Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines
Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG, IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW. Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,3013 und Cy = 0,2893 und einer korrelierten Farbtemperatur von 7903 K. Durch die schmalbandigen Emissionen des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs liegt keine oder nur
geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren
Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des
Bauelements erhöht. Die Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard- Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Im Vergleich dazu hat sich der Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiten roten Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer
Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten. In Figur 3 ist ein Emissionsspektrum eines
Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten
Konvertermaterials, Konverterpartikel mit einer
Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten, die alternierend angeordnet sind, im grünen Spektralbereich IIG, die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs [Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit 0,5 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,2 IIR2. Die Emissionen I, IIG, IIR1 und IIR2 sind sehr schmalbandig und zeigen eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard-Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionen I und IIG beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe
Farbsättigung der einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG, IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW. Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,3138 und Cy = 0,2722 und einer korrelierten
Farbtemperatur von 7167 K. Durch die schmalbandigen
Emissionen des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs liegt keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des Bauelements erhöht. Die Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard- Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Im Vergleich dazu hat sich der Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiten roten Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer
Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten. In Figur 4 ist ein Emissionsspektrum eines
Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements gezeigt. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge λ in nm und auf der y-Achse die Emission E aufgetragen. Gezeigt sind die Primärstrahlung I, die Sekundärstrahlung des ersten
Konvertermaterials, Konverterpartikel mit einer
Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten, die alternierend angeordnet sind, im grünen Spektralbereich IIG, die Sekundärstrahlung des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ IIR1 und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] mit 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2 IIR2. Die Emissionen I, IIG, IIR1 und IIR2 sind sehr schmalbandig und zeigen eine hohe Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Blaufilters, eines Standard-Grünfilters beziehungsweise eines Standard-Rotfilters. Zudem zeigen die Emissionen I und IIG beziehungsweise und IIG und IIR1 und IIR2 untereinander kaum eine Überlappung, wodurch eine hohe
Farbsättigung der einzelnen Farben erzielt werden kann, da die einzelnen Emissionen spektral nur oder fast nur eine Farbe eines Farbfiltersystems ansprechen. Überlagert ergeben I, IIG, IIR1 und IIR2 die weiße Gesamtstrahlung EW. Der Farbort der weißen Gesamtstrahlung liegt im CIE-Farbraum (1931) bei Cx = 0,2954 und Cy = 0,2929 und einer korrelierten
Farbtemperatur von 8318 K. Durch die Verwendung des ersten roten Leuchtstoffs und des zweiten roten Leuchtstoffs kann mit Vorteil ein großer Bereich des roten Spektralbereichs abgedeckt werden, wodurch ein großer Farbraum abgedeckt werden kann. Zudem kann eine hohe Helligkeit erzielt werden, da die Dominanzwellenlänge des ersten roten Leuchtstoffs im Vergleich zu dem zweiten roten Leuchtstoff näher am Maximum der Augenempfindlichkeit bei 555 nm liegt, wodurch die emittierte Sekundärstrahlung einen höheren Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve aufweist. Durch die schmalbandige Emission des zweiten roten Leuchtstoffs mit einer
Halbwertsbreite unter 60 nm liegt keine oder nur geringfügig Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, was die Lumineszenzeffizienz des Bauelements erhöht. Die
Emissionspeaks des ersten und des zweiten roten Leuchtstoffs zeigen mit Vorteil eine sehr große Überlappung mit dem
Transmissionsbereich eines Standard-Rotfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Einsatz des ersten roten Leuchtstoffs (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und des zweiten roten Leuchtstoffs (Sr,Ca)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] zwei wesentliche Aspekte für Hinterleuchtungsanwendungen erfüllt werden und zwar die maximale Helligkeit und die Abdeckung eines großen Farbraums. Im Vergleich dazu hat sich der
Einsatz von (Ca,Sr)AlSiN3:Eu als zweiten roten Leuchtstoff als weniger geeignet erwiesen, da dieser mit einer
Halbwertsbreite von 90 nm zu breitbandig emittiert, wodurch Lumineszenzverluste auftreten. Das in Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
optoelektronischen Bauelements 1 weist einen Halbleiterchip 2 auf, der im Betrieb des Bauelements eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums
beispielsweise mit einer Peakwellenlänge von 460 nm
emittiert. Der Halbleiterchip basiert auf Aluminium-Indium- Gallium-Nitrid. Der Halbleiterchip 2 ist auf einem ersten Anschluss 4 und einem zweiten Anschluss 5 befestigt und elektrisch mit diesen Anschlüssen kontaktiert. Die Anschlüsse 4, 5 sind mit Durchkontaktierungen 4a und 5a elektrisch verbunden. Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite elektrische Anschluss 4, 5 in ein lichtundurchlässiges, zum Beispiel vorgefertigtes, Gehäuse 10 mit einer Ausnehmung 11 eingebettet. Unter vorgefertigt ist zu verstehen, dass das Gehäuse 10 bereits an den Anschlüssen 4 und 5 beispielsweise mittels Spritzguss fertig gebildet ist, bevor der Halbleiterchip 2 auf die Anschlüsse 4, 5 montiert wird. Das Gehäuse umfasst zum Beispiel einen
lichtundurchlässigen Kunststoff und die Ausnehmung 11 ist als Reflektor für die Primärstrahlung und Sekundärstrahlung ausgebildet, wobei die Reflexion durch das Gehäusematerial oder durch eine geeignete Beschichtung der Innenwände der Ausnehmung 11 realisiert werden kann. Die Anschlüsse 4, 5 sind aus einem Metall gebildet, das eine Reflektivität für die blaue Primärstrahlung größer als 60 %, bevorzugt größer als 70 %, besonders bevorzugt größer als 80 %, aufweist, beispielsweise Silber oder Gold. Das Konversionselement 6 ist beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 in Form eines Vergusses ausgebildet und füllt dabei die Ausnehmung 11, wie in Figur 5 gezeigt, aus. Dabei umfasst das Konversionselement 6 ein Silikon oder ein Epoxid, in dem Partikel eines grünen Leuchtstoffes, in diesem Fall eines grünen beta-SiAlON-Leuchtstoffesals erstes Konvertermaterial der Formel und Partikel eines zweiten Konvertermaterials eingebettet sind. Das zweite Konvertermaterial besteht aus einem ersten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+ und einem zweiten roten Leuchtstoff der Formel (Sr,Ca)1- x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4]mit 0,001 ≤ x‘‘‘‘ ≤ 0,2. Die Partikel des beta-SiAlON-Leuchtstoffs konvertieren die Primärstrahlung teilweise zu einer Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums und das zweite
Konvertermaterial konvertiert die Primärstrahlung teilweise zu einer Sekundärstrahlung im roten Bereich des
elektromagnetischen Spektrums. Durch die Überlagerung der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlungen im grünen und roten Spektralbereich resultiert eine weiße Gesamtstrahlung. Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel nach oben über das Konversionselement 6 abgestrahlt. Die
Gesamtstrahlung weist bevorzugt eine Farbtemperatur von 4000 K bis 30000 K auf und liegt damit bevorzugt in der Nähe der Planck'schen Strahlungskurve oder in der Nähe der jeweiligen Isothermen. Im CIE-Farbdiagramm (1931) liegen die
Farbkoordinaten des Bauelements beispielsweise bei Farborten im Bereich von Cx 0,15 - 0,40 und Cy 0,15 - 0,40, bevorzugt im Bereich von Cx 0,20 - 0,37 und Cy 0,20 - 0,37. Der Farbort bezeichnet Punkte in oder auf einem Farbkörper, welcher im Farbraum mit geeigneten Koordinaten in seiner Lage
beschrieben wird. Der Farbort repräsentiert die für einen Betrachter wahrgenommene Farbe. In dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 1 ist das Konversionselement 6 im Unterschied zu dem Bauelement in Figur 5 als eine Schicht ausgebildet, die über dem Halbleiterchip 2 angeordnet ist. Die Schicht ist über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet. Es ist möglich, dass die Schicht auch die Seitenwände des Halbleiterchips bedeckt (hier nicht gezeigt). 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. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 123 971.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste 1 optoelektronisches Bauelement
2 Halbleiterchip
4 erster Anschluss
5 erster Anschluss
6 Konversionselement
4a Durchkontaktierung
5a Durchkontaktierung
10 Gehäuse
11 Ausnehmung
E Emission
nm Nanometer
λ Wellenlänge
I Primärstrahlung
IIG Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich IIR1 Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich IIR2 Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich EW weiße Gesamtstrahlung

Claims

Patentansprüche 1. Optoelektronisches Bauelement (1) zur Emission einer weißen Gesamtstrahlung umfassend
einen Halbleiterchip (2), der im Betrieb des Bauelements eine Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen
einschließlich 420 nm und einschließlich 480 nm emittiert und ein Konversionselement (6) umfassend
- ein erstes Konvertermaterial, dass dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu
konvertieren,
- ein zweites Konvertermaterial, dass dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu
konvertieren, wobei das zweite Konvertermaterial einen ersten roten Leuchtstoff der Formel (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+ und einen zweiten roten Leuchtstoff der Formel
- (M‘)2-x‘Eux‘Si2Al2N6 mit M‘ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘ ≤ 0,2, insbesondere [Sr(SraM1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit M = Ca, Ba, Zn und/oder Mg,0,5 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,2, - (M‘‘)1-x‘‘Eux‘‘AlSiN3*Si2N2O mit M‘‘ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘‘ ≤ 0,2,
- (M‘‘‘)2-2x‘‘‘Eu2x‘‘‘Si5N8 mit M‘‘ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2
oder
- (M‘‘‘‘)1-x‘‘‘‘Eux‘‘‘‘[LiAl3N4] mit M‘‘‘‘ = Sr, Ca, Ba, und/oder Mg und 0,001 ≤ x‘‘‘ ≤ 0,2 umfasst. 2. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite rote Leuchtstoff die Formel
[Sr(SraCa1-a)]1-xEuxSi2Al2N6 mit 0,8 ≤ a ≤ 1 und 0,001 ≤ x ≤ 0,
2 aufweist.
3. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1,
wobei das erste Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten oder einen grünen Leuchtstoff umfasst.
4. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 3,
wobei das erste Konvertermaterial Konverterpartikel mit einer Quantenstruktur mit Barriereschichten (3b) und
Quantenschichten (3a) umfasst, wobei die Barriereschichten (3b) und Quantenschichten (3a) alternierend angeordnet sind.
5. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 3,
wobei das erste Konvertermaterial einen grünen Leuchtstoff umfasst, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die
Orthosilikate, Nitridoorthosilikate, beta-SiAlONe und Granate umfasst.
6. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 5,
wobei das erste Konvertermaterial einen grünen Orthosilikat- Leuchtstoff der Formel
(AE)2-yEuySiO4 mit AE = Sr, Ca, Ba und/oder Mg und 0,001 ≤ y ≤ 0,2 umfasst.
7. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 5,
wobei das erste Konvertermaterial einen grünen
Nitridoorthosilikat-Leuchtstoff der Formel
(AE)2-b-y‘(RE)bEuy‘SiO4-bNb
mit AE = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y‘ ≤ 0,4, 0 ≤ b < 2-y‘ oder
(AE‘)2-c-y‘‘(RE‘)xEuy‘‘Si1-dO4-c-2dNc mit AE‘ = Sr, Ba, Ca und/oder Mg, RE‘ = Seltene Erdmetalle, 0,002 ≤ y‘‘ ≤ 0,4, 0 ≤ c < 2- y‘‘ und 0 ≤ d < 1 umfasst.
8. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 5,
wobei das erste Konvertermaterial einen grünen beta-SiAlON- Leuchtstoff der Formel
Si6-z-2y‘‘‘Euy‘‘‘AlzOzN8-z mit 0 ≤ z ≤ 6 und 0,001 ≤ y‘‘‘ ≤ 0,2 umfasst.
9. Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 5,
wobei das erste Konvertermaterial einen grünen Granat- Leuchtstoff der Formel (Lu,Y,Gd,Tb)3-y‘‘‘‘Cey‘‘‘‘(Al,Ga)5O12 mit 0,003 ≤ y‘‘‘ ≤ 0,6 umfasst.
10. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Konversionselement (6) Teil eines Vergusses des ersten Halbleiterchips (2) ist oder das Konversionselement (6) den Verguss bildet.
11. Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche 1 bis 9,
bei dem das Konversionselement (6) als eine Schicht
ausgebildet und direkt auf den ersten Halbleiterchip (2) aufgebracht ist.
12. Verwendung eines optoelektronisches Bauelements (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Hinterleuchtung von Farbfiltersystemen.
13. Beleuchtungseinheit mit
- einem optoelektronischen Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, und
- einem Farbfiltersystem umfassend einen blauen Filter, einen grünen Filter und einen roten Filter, die dazu eingerichtet sind, die weiße Gesamtstrahlung des optoelektronischen Bauelements (1) zu Strahlung eines Transmissionsspektrums filtern.
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