WO2018104395A1 - Optoelektronisches bauelement - Google Patents

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WO2018104395A1
WO2018104395A1 PCT/EP2017/081710 EP2017081710W WO2018104395A1 WO 2018104395 A1 WO2018104395 A1 WO 2018104395A1 EP 2017081710 W EP2017081710 W EP 2017081710W WO 2018104395 A1 WO2018104395 A1 WO 2018104395A1
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WO
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layer
radiation
quantum
optoelectronic component
layers
Prior art date
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PCT/EP2017/081710
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Pust
David Racz
Jan-Philipp AHL
Adam Bauer
Kirstin Petersen
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2018104395A1 publication Critical patent/WO2018104395A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/505—Wavelength conversion elements characterised by the shape, e.g. plate or foil
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
    • H01L33/502—Wavelength conversion materials

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component.
  • LEDs light emitting diodes
  • 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 spectral, or "transmission”, half width (FWHM) width in the range of typically 70 to 120 nm, in which the transmission can be controlled electrically, the transmission resulting from the superposition This results in regions of the visible spectrum in which no complete transmission is achieved, resulting in a portion of the emitted light being absorbed by the filter in the case of a broadband spectrum of the LED which illuminates the color filters Amount of light from the LED with fully opened LCD color filters on
  • FWHM half width
  • the red InGaAlP chip used here shows strong brightness losses over the temperature, whereby the color location of the entire LED fluctuates greatly.
  • a further possibility consists in using a blue semiconductor chip whose light (partly into green light using a phosphor, for example, ortho silicates such as (Ba, Sr) 2S1O4: Eu 2+, nitrides such as beta-SiAlON, grenade as
  • the object is achieved by an optoelectronic component with the features of claim 1.
  • An optoelectronic component is specified.
  • the optoelectronic component comprises a semiconductor chip which is adapted to an electromagnetic
  • a conversion element comprising converter particles, which are adapted to at least partially convert the electromagnetic primary radiation into a secondary electromagnetic radiation in the green region of the electromagnetic spectrum.
  • Quantum structure comprises barrier layers and quantum layers and the quantum layers and the barrier layers are arranged alternately.
  • 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
  • Layer thickness of the quantum layers is then much smaller than lateral dimensions of the quantum layers.
  • the converter particles are not
  • Quantum dots Quantum dots. Quantum dots are approximate
  • That converter particles or a phosphor the
  • Convert electromagnetic secondary radiation means that the primary radiation at least partially from the
  • Converter particles or a phosphor absorbed and as secondary radiation with an at least partially from the Primary radiation different wavelength range is emitted.
  • the primary radiation can thus partially or completely by the converter particles or a
  • Phosphor be converted into secondary radiation.
  • complete conversion is meant, in particular, a conversion of over 95%, preferably over 98% or 99%.
  • conversion elements with a quantum structure in optoelectronic components.
  • the conversion element itself is an epitaxially grown quantum structure in the form of a macroscopic platelet, approximately in FIG.
  • Conversion element comprises converter particles with an epitaxially grown quantum structure, in the form of
  • converter particles ie in particular the use of the converter in particle form, these can be processed as a phosphor and the concentration by increasing or decreasing the
  • the converter particles can thus optionally be further processed together with other phosphors using standard processes.
  • 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 comprising at least one active layer based on InGaAlN, for example, electromagnetic radiation in a
  • 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 near UV region to the blue region of the electromagnetic spectrum.
  • the near UV range can mean that the emitted primary radiation a
  • 420 nm preferably between 380 nm inclusive and 415 nm inclusive, more preferably between 385 nm inclusive and 415 nm inclusive.
  • the blue region of the electromagnetic spectrum may mean that the emitted primary radiation 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.
  • peak wavelength refers to the wavelength of a peak at which the maximum intensity of the peak lies.
  • Conversion element is arranged.
  • a layer or an element is arranged or applied "on” or “over” another layer or another element can mean here and below that the one layer or the one element is directly in direct mechanical and / or electrical contact is arranged on the other layer or the other element.
  • the one layer or the one element indirectly on or above the other Layer or the other element is arranged.
  • 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
  • FWHM Half-width
  • Spectral range a half-width of at least 15 nm or 20 nm or 25 nm. Alternatively or additionally, this half-width of the secondary radiation is the
  • Converter particles at most 50 nm or 40 nm or 30 nm.
  • the secondary radiation being in the green spectral range means that it most preferably has a peak wavelength in the range of from 500 nm to 680 nm inclusive, preferably from 500 nm to 600 nm inclusive, more preferably from 510 nm to 580 nm inclusive between 520 nm inclusive and 545 nm inclusive.
  • Quantum layers of In x Ga] __ x N with 0.1 x -S -S 0.5, preferably 0.2 ⁇ x 0.4, or -S quantum layers are made of In x Ga] __ x N with 0.1 ⁇ x ⁇ 0.5, preferably 0.2 ⁇ x ⁇ 0.4.
  • Quantum layers are responsible for the peak wavelength of the secondary radiation due to their composition.
  • the indium content determines the peak wavelength of the secondary radiation.
  • Quantum layers have a layer thickness of from 2.0 nm to 5.0 nm inclusive, preferably from 2.0 to 4.0 nm, more preferably from 2.5 nm to
  • 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 quantum efficiency decreases. Is that lying
  • Barrier layers AlyGa ] _-yN with 0.0 ⁇ y ⁇ 0.5, preferably 0.0 ⁇ y ⁇ 0.4, more preferably 0.0 ⁇ y ⁇ 0.3, most preferably y 0 or consist of this material.
  • the barrier layers comprise GaN or consist of GaN.
  • Barrier layers a layer thickness of from 1.5 nm to 100 nm inclusive, preferably 1.5 nm to
  • a barrier layer and a quantum layer each form one
  • the converter particles Preferably, the 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
  • Double layer has a layer thickness of from 3.5 nm to 105 nm, preferably 3.5 nm to 21.5 nm inclusive.
  • the buffer layer may consist of AlyGa ] __yN with 0 ⁇ y ⁇ 0.5, preferably 0.0 -S
  • the buffer layer has the same material as the barrier layers.
  • the quantum structure is preferably arranged above the buffer layer, wherein a quantum layer is arranged above 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.
  • the substrate is at least partially permeable to the primary radiation as well as for the secondary radiation.
  • Converter particles have a layer thickness of from 0.5 nm to 200 ym inclusive, preferably from 1 nm to 100 ym inclusive, more preferably from
  • the converter particles have a substrate, the
  • Layer thickness preferably between and including 0.5 ym and 200 ym inclusive, more preferably between
  • the grain diameter of the converter particles can also be understood as the layer thickness of the converter particles.
  • Converter particles with layer thicknesses below 0.5 ⁇ m preferably have no substrate. It is nevertheless possible for the quantum structure or the buffer layer and the quantum structure of converter particles without a substrate to be epitaxially first on a substrate
  • the substrate is thinned by grinding or polishing processes. This makes it possible, in particular for substratlosen converter particles, to make them particularly thin, whereby the layer thickness of
  • Conversion element for example formed as a potting or layer, can be reduced.
  • the converter particles may be produced according to an embodiment by separating a corresponding wafer comprising the substrate, the buffer layer and the quantum structure by separation techniques to the corresponding converter particles.
  • the separation preferably takes place laterally, that is, through the deposited layers (substrate, buffer layer, quantum structure).
  • the separation can also be done mechanically, for example by means of a ball mill. It is also possible that the substrate is removed before singulation, for example by a laser lift-off method.
  • the separation can also be done mechanically, for example by means of a ball mill. It is also possible that the substrate is removed before singulation, for example by a laser lift-off method. According to at least one embodiment, the
  • the core includes the quantum structure, the quantum structure and the
  • Buffer layer or the quantum structure the buffer layer and the substrate. It is also possible that the core of the quantum structure
  • Quantum structure the quantum structure and the buffer layer or the quantum structure, the buffer layer and the substrate.
  • the envelope is both transparent to the primary radiation and to the secondary radiation.
  • this includes
  • Conversion element a matrix material in which the
  • Converter particles are embedded.
  • the converter particles may be distributed in the matrix material, for example, they are homogeneous or random 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 particles in the conversion element or the matrix material homogeneously or randomly distributed.
  • Conversion element or the matrix material are distributed with a concentration gradient.
  • Main radiation exit surface of the semiconductor chip are higher than in areas of the conversion element, which are located farther away from the main radiation exit surface of the semiconductor chip. This can be done for example by sedimentation of the converter particles, for example, before the curing of the matrix material.
  • the shell has a refractive index that is between the refractive index of the
  • the shell may for example have a layer thickness between 1 nm and 100 nm and may preferably completely surround the core.
  • an inorganic material such as an alumina, an aluminum nitride, a titania or a silica may be used for the cladding become.
  • Conversion element scattering particles for example of a titanium oxide or aluminum oxide.
  • the primary and / or secondary radiation can thus be scattered on the converter particles. This can be a homogeneous
  • this includes
  • Conversion element a phosphor, in particular particles of a phosphor.
  • the phosphor is particularly adapted to partially the primary radiation in a
  • the semiconductor chip emits radiation in the blue region of the
  • Electromagnetic spectrum the primary radiation is partially converted by the converter particles and partly by the phosphor into secondary radiation in the green and red spectral range.
  • the total radiation can result from a superposition of the blue primary radiation and the green and red secondary radiation and can give the observer a white light impression.
  • the total white radiation preferably has a color temperature of 5000 K to 20,000 K.
  • the red region of the electromagnetic spectrum is understood to mean the range of the electromagnetic spectrum between 580 nm and 650 nm.
  • the phosphor is selected from the group consisting of (Ca, Sr) AIS 1 N 3: Eu 2+ ,
  • Half-width is preferably below 90 nm.
  • a high color purity of the optoelectronic component can be achieved, as a result of which high color space coverage can be achieved with high efficiency.
  • the converter particles have a narrow-band emission, so that the optoelectronic component according to this
  • Embodiment is particularly suitable for backlighting applications of displays.
  • the dominant wavelength is one way of spectral non-spectral (polychromatic) light mixtures
  • the dominant wavelength of the fluoridic phosphor material is
  • the Cx and Cy values mentioned are preferably based on the CIE standard color chart from 1931.
  • the phosphor is a combination of (K, Na) 2 (Si, Ti) Fg: Mn + and (Ca, Sr) AlSiN 3 : Eu 2+ , Sr (Ca, Sr) Si 2 Al 2 N 6 : Eu 2+ , (Sr, Ca) AlSiN 3 * Si 2 N 2 O: Eu ; + , (Ca, Ba, Sr) 2 Si 5 N 8 : Eu ⁇ + or (Sr, Ca) [L1AI3N4]: Eu 2+ .
  • 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
  • Phosphor particles and the matrix material are Phosphor particles and the matrix material.
  • the platelet has a layer 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.
  • the platelet comprises a
  • Matrix material for example silicone, in which the
  • Conversion element formed as a plate, which is above 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 housing 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
  • Conversion element and the semiconductor chip can then Potting or an air gap to be formed.
  • This arrangement can also be referred to as a "remote phosphor conversion”.
  • 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
  • Main radiation exit surface of the semiconductor chip or be arranged above the main radiation exit surface and the side surfaces of the semiconductor chip.
  • the layer may be sprayed or printed.
  • the optoelectronic component is a light-emitting component
  • FIGS 1 and 2 show embodiments of
  • FIG. 3 to 10 show schematic side views
  • FIG. 1 shows the structure of a converter particle 4 in a schematic side view. Above the substrate 1,
  • a buffer layer 2 of GaN is arranged above the buffer layer 2 .
  • the quantum structure 3 arranged.
  • the quantum structure 3 consists of
  • Quantum layers 3a and barrier layers 3b are Quantum layers 3a and barrier layers 3b, the
  • Buffer layer 2 a quantum layer 3a is arranged.
  • a quantum layer 3a and a barrier layer 3b form a double layer 3c.
  • the quantum layers 3a exist
  • the converter particle 4 is designed to have a primary radiation in the blue
  • Quantum structure 3 are on the substrate 1 of sapphire
  • Quantum layers 3a a layer thickness of 2.9 nm and the barrier layers 3b a layer thickness of 16 nm.
  • Figure 2A shows various embodiments of a
  • Converter particle 4 in a schematic side view.
  • the converter particle 4 consists of a substrate 1, a buffer layer 2 (not shown) and a quantum structure 3.
  • the substrate 1 is a sapphire substrate on which the
  • Buffer layer 2 and the quantum structure 3 epitaxially
  • the substrate 1 may be rectangular, square (not shown), pentagonal, hexagonal or in the form of a truncated cone, be formed. Depending on the geometry of the substrate, the light extraction can be adapted to the corresponding requirements.
  • FIG. 2B shows an embodiment of a converter particle 4 in a schematic side view.
  • the converter particle 4 consists of a substrate 1, a buffer layer 2 and a quantum structure 3.
  • the layer thickness of the quantum structure dg can be, for example, less than 10 ⁇ m, the lateral one
  • Figure 2C shows an embodiment of a converter particle 4 in a schematic side view, the only of the
  • Quantum structure 3 exists.
  • FIG. 2D shows an embodiment of a converter particle 4 in a schematic side view.
  • the converter particle 4 comprises a shell 5 and a core 6, which consists of the
  • Quantum structure 3 and the buffer layer 2 consists.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a
  • Embodiment of an optoelectronic component 100 in particular a light emitting diode.
  • Optoelectronic component 100 has a semiconductor chip 11 which, during operation, emits primary radiation in the blue region of the electromagnetic spectrum, for example with a peak wavelength of 460 nm.
  • the semiconductor chip 11 is based, for example, on indium gallium nitride.
  • Semiconductor chip 11 is mounted on a first electrical terminal 8 and electrically connected to the first electrical
  • Terminal 8 contacted. Via a bonding wire 10,
  • the semiconductor chip 11 is contacted with a second electrical connection 9.
  • housing 7 embedded with a recess 12.
  • prefabricated is meant that the housing 7 is already finished on the terminals 8, 9, for example by means of injection molding, before the semiconductor chip 11 is mounted on the terminals 8, 9.
  • the housing 7 includes, for example, a
  • the recess 12 is formed as a reflector for the primary radiation and secondary radiation, wherein the reflection by the housing material or optionally by a suitable coating of the inner walls of the recess 12 can be realized.
  • the terminals 8, 9 are formed of a metal, such as Ag or Al, which is a
  • the conversion element 15 is in the embodiment of
  • Figure 3 formed in the form of a potting 13 and fills the recess 12.
  • the conversion element 15 comprises a silicone or an epoxide, in which converter particles 4 and phosphor particles 14 are embedded.
  • Converter particles 4 and the phosphor particles 14 are homogeneously distributed in the conversion element 15. It is also possible that the converter particles 4 and the phosphor particles 14 are concentrated by sedimentation at the main radiation exit surface SA of the semiconductor chip and the housing bottom GB.
  • a phosphor for example
  • the phosphor is adapted to the primary radiation in the blue spectral range of the electromagnetic spectrum partially in a Secondary radiation in the red spectral range and one
  • the converter particles 4 comprise, for example, a substrate, for example made of sapphire, and an overlying one
  • Buffer layer of GaN Above the buffer layer is the
  • Quantum structure arranged.
  • the quantum structure consists of quantum layers and barrier layers, which are arranged alternately, wherein a quantum layer is arranged directly above the buffer layer.
  • the quantum layers consist for example of Ing.4Gao.6 and the barrier layers
  • the converter particles Due to the indium content of 40 mol%, based on the total amount of indium and gallium, the converter particles are adapted to the primary radiation in the blue
  • the quantum structure consists of ten to 50 double layers, where a double layer consists of a quantum layer and a barrier layer.
  • a double layer consists of a quantum layer and a barrier layer.
  • Quantum layers 3a a layer thickness of 2.9 nm and the barrier layers 3b a layer thickness of 16 nm.
  • the total radiation is composed of the primary radiation and the secondary radiation in the green and red spectral range and produces a white in the viewer
  • the total radiation preferably has a color temperature of 5000 K to 20 000 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
  • the color locus refers to points in or on a color body, which in the color space with suitable
  • the color location represents the color perceived by a viewer.
  • the total radiation will go up over the
  • Conversion element 15 in contrast to the device in Figure 3 no phosphor particles.
  • the converter particles 4 are adapted to the primary radiation in the blue
  • the quantum structure of the converter particles 4 consists of 120 to 200 double layers, wherein a double layer consists of a quantum layer and a barrier layer.
  • Converter particles 4 are by sedimentation at the
  • the total radiation is complete or near
  • the converter particles 4 may be configured to partially convert the primary radiation in the blue spectral range of the electromagnetic spectrum into a
  • the proportion of primary radiation can be between 0 and 99% of the total radiation, with 0% corresponding to a full conversion.
  • the color locations of the total radiation are in the CIE color diagram on the conversion line between the color locations of the pure primary radiation and the pure color locations of the
  • the conversion element 15 is formed as a layer.
  • the layer may be sprayed or printed.
  • the conversion element 15 is above the
  • Main radiation exit surface of the semiconductor chip 11 is arranged.
  • an adhesive layer (not shown) between the conversion element 15 and the semiconductor chip 11, an adhesive layer (not shown).
  • a potting 13 is arranged, which is in particular transparent to the secondary radiation or the secondary radiation and the primary radiation is formed.
  • the conversion element 15 is designed as a layer.
  • the conversion element 15 is above the
  • Main radiation exit surface of the semiconductor chip 11 is arranged.
  • an adhesive layer (not shown) between the conversion element 15 and the semiconductor chip 11, an adhesive layer (not shown).
  • a potting 13 is arranged, which is formed in particular transparent to the secondary radiation and the primary radiation.
  • a semiconductor chip 11 is arranged on a substrate 16.
  • the substrate 16 is
  • a first reflective layer 17a is arranged above the substrate 16 and over the side surfaces of the semiconductor chip IIa.
  • the semiconductor chip 11 therefore emits the primary radiation only via the main radiation exit surface SA.
  • Conversion element 15 is formed as a layer.
  • Conversion element 15 and the first reflective layer 17a, an adhesive layer (not shown) may be arranged.
  • the conversion element 15 contains a matrix material and converter particles 4.
  • the converter particles 4 may be formed as described in FIGS. 1, 2, 3 or 4.
  • Conversion element 15 may be included, which emit the primary radiation partially into a secondary radiation in the red region of the electromagnetic spectrum.
  • a second reflective layer 17 b is arranged.
  • the reflective layers 17a and 17b include, for example, titanium dioxide particles.
  • Titanium dioxide particles may be in a matrix material such as
  • the reflective layers 17a, 17b contain 10 to 99% by volume, preferably 20 to 80% by volume of titanium dioxide particles with respect to the total volume of the reflective layers 17a, 17b.
  • the reflective layers 17a, 17b are in particular
  • the conversion element 15 can also be formed here.
  • the conversion element 15 can also be formed here.
  • the total radiation is radiated laterally over the conversion element 15 in this embodiment.
  • the conversion element 15 is located only above the main radiation exit surface SA of FIG. 8
  • Layer 17a is a transparent potting 13 arranged, for example made of silicone. The total radiation is in this embodiment laterally over the
  • a conversion element 15 is arranged above a semiconductor chip 11.
  • Semiconductor chip 11 is arranged on a first electrical connection 8 and a second electrical connection 9 and electrically contacted.
  • the semiconductor chip 11 emits a primary radiation in the blue spectral range.
  • Conversion element 15 is formed as a layer. Between the conversion element 15 and the
  • Main radiation exit surface SA may be an adhesive layer
  • the conversion element 15 contains a matrix material, phosphor particles 14 and
  • Converter particles 4 may be formed as described in FIGS. 1, 2, 3 or 4. Over the side surfaces of the conversion element 15a and the side surfaces of the conversion element 15a
  • the reflective layer 17 comprises
  • titanium dioxide particles For example, titanium dioxide particles.
  • the titanium dioxide particles may be embedded in a matrix material such as silicone.
  • the reflective layer contains 10 to 99% by volume, preferably 20 to 80% by volume, of titanium dioxide particles in relation to the total volume of the reflective layer 17.
  • the reflective layer 17 is reflective for the
  • Primary radiation and the secondary radiation is formed.
  • Total radiation is emitted in this embodiment upwards over the conversion element 15.
  • the total radiation is white radiation from a superposition of the primary radiation and the
  • a conversion element 15 is arranged above a semiconductor chip 11 and a reflective layer 17.
  • the semiconductor chip 11 is on a first electrical connection 8 and a second
  • the semiconductor chip 11 emits a Primary radiation in the blue spectral range.
  • Conversion element 15 is formed as a layer. Between the conversion element 15 and the
  • Main radiation exit surface SA of the semiconductor chip 11 may be an adhesive layer (not shown) may be arranged.
  • Conversion element 15 contains a matrix material
  • Converter particles 4 may be formed as described in Figures 1, 2, 3 or 4. Over the side surfaces of the semiconductor chip IIa is the
  • the reflective layer 17 is arranged. The reflective
  • Layer 17 includes, for example, titanium dioxide particles.
  • the reflective layer 17 is reflective for the
  • Primary radiation and the secondary radiation is formed.
  • the total radiation is radiated upward and laterally over the conversion element 15 in this embodiment.
  • Conversion element 15 unlike the device in Figure 9A no phosphor particles.
  • the converter particles 4 are adapted to the primary radiation in the blue
  • Spectral range of the electromagnetic spectrum partially or completely or almost completely into a secondary radiation in the green region of the electromagnetic spectrum to convert.
  • the color locations of the total radiation are in the CIE color diagram on the conversion line between the color locations of the pure primary radiation and the pure
  • Primary radiation can be between 0 and 99% of the total radiation.

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst - einen Halbleiterchip, der dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren, - ein Konversionselement umfassend Konverterpartikel, die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren, wobei die Konverterpartikel eine Quantenstruktur mit Barriereschichten und Quantenschichten aufweisen und die Quantenschichten und die Barriereschichten alternierend angeordnet sind.

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, füll 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 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. Eine 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, dass 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.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines blauen Halbleiterchips, dessen Licht zum Teil in grünes Licht anhand eines Leuchtstoffs (zum Beispiel Orthosilikate wie (Ba, Sr) 2S1O4 : Eu2+, Nitride wie beta-SiAlONe, Granate wie
(Lu, Y) 3 (AI, Ga) 50]_2:Ce^+ ) umgewandelt wird und einem roten
Halbleiterchip in einem LED-Package.
Oft wird ein blauer Halbleiterchip mit zwei Leuchtstoffen verwendet, die einen Teil des blauen Lichts in grüne und rote Bestandteile des Lichts konvertieren. Diese Lösungen weisen allerdings zum Teil eine niedrige Helligkeit und/oder eine zu geringe Farbraumabdeckung auf. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die eingesetzten grünen Leuchtstoffe ein
breitbandiges Emissionsspektrum aufweisen.
Die Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement
bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik
verbessert ist.
Die Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst einen Halbleiterchip, der dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische
Primärstrahlung zu emittieren, und ein Konversionselement, umfassend Konverterpartikel, die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Konverterpartikel eine Quantenstruktur auf, wobei die
Quantenstruktur Barriereschichten und Quantenschichten umfasst und die Quantenschichten und die Barriereschichten 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
Schichtdicke 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 .
Dass Konverterpartikel oder ein Leuchtstoff die
Primärstrahlung zumindest teilweise in eine
elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, bedeutet, dass die Primärstrahlung zumindest teilweise von den
Konverterpartikeln oder einem Leuchtstoff absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird .
Mit anderen Worten kann die Primärstrahlung also teilweise oder vollständig durch die Konverterpartikel oder einem
Leuchtstoff in Sekundärstrahlung konvertiert werden. Unter vollständiger Konversion wird insbesondere eine Konversion über 95 %, bevorzugt über 98 % oder 99 %, verstanden. Es ist bekannt, Konversionselemente mit einer Quantenstruktur in optoelektronischen Bauelementen einzusetzen. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist das Konversionselement dabei selbst eine epitaktisch aufgewachsene Quantenstruktur in Form eines makroskopischen Plättchens, ungefähr in der
Größenordung der Emissionsfläche der Primärlichtquelle, während gemäß der vorliegenden Erfindung das
Konversionselement Konverterpartikel mit einer epitaktisch aufgewachsenen Quantenstruktur umfasst, in Form von
mikroskopischen Körnern beziehungsweise Konverterpartikeln, ungefähr in der Größenordnung von typischen Leuchtstoff- Konverterpartikeln. Mit Vorteil fällt durch den Einsatz von Konverterpartikeln eine entsprechende Sortierung der
epitaktisch aufgewachsenen Quantenstrukturen ("Binning") entsprechend ihrer Farborte weg, da sich die Unterschiede in der Wellenlänge der emittierten Sekundärstrahlung beim
Zerkleinern der Wafer mit der epitaktisch aufgewachsenen Quantenstruktur mittein. Zusätzlich vereinfacht sich die Prozesskette, da oft keine zusätzliche Haftschicht notwendig ist, um das Konversionselement zu befestigen. Zudem ist der Farbort der Gesamtstrahlung des Bauelements durch die
Konzentration an Konverterpartikeln einfach einstellbar.
Bisher bestand das Problem, das der grüne Farbort des
Konversionselements nach der Waferprozessierung nicht mehr flexibel ist. Folglich konnten Farbortkorrekturen nur durch Anpassen eines gegebenenfalls in dem Bauelement zusätzlichen Leuchtstoffs durchgeführt werden. Damit konnte der Farbort der Gesamtstrahlung des Bauelements aber nur entlang einer roten Konversionslinie bewegt werden. Weitere Anpassungen erforderten automatisch eine neue zeitaufwendige
Prozessierung des Konversionselements und eine
Anpassung der Epitaxiestruktur. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Konverterpartikeln, also insbesondere der Verwendung des Konverters in Partikelform, können diese wie ein Leuchtstoff verarbeitet werden und die Konzentration durch Erhöhung beziehungsweise Verringerung der
Partikelzahlen angepasst werden. Die Konverterpartikel können somit gegebenenfalls zusammen mit anderen Leuchtstoffen mit Standardprozessen weiterverarbeitet werden. Durch die
Konverterpartikel können somit Prozesszeiten verkürzt werden, die Zahl der Prozessschritte verringert werden und damit die Fertigungskosten gesenkt werden. 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 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 Strahlung in einem
ultravioletten bis 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 nahen UV-Bereich bis blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Im nahen UV-Bereich kann dabei bedeuten, dass die emittierte Primärstrahlung eine
Peakwellenlänge zwischen einschließlich 350 nm und
einschließlich 420 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 380 nm und einschließlich 415 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 385 nm und einschließlich 415 nm, aufweist. 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.
Als "Peakwellenlänge" wird vorliegend die Wellenlänge eines Peaks bezeichnet, bei der die maximale Intensität des Peaks liegt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip beziehungsweise die Schichtenfolge eine
Hauptstrahlungsaustrittsflächeauf, 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 Hauptstrahlungsaustrittsflache 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 Hauptstrahlungsaustrittsflächeaus der Schichtenfolge heraus. In einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen direkten mechanischen Kontakt zu dem Halbleiterchip
beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere zu der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche, auf . In einer Ausführungsform ist das Konversionselement
vollflächig über dem Halbleiterchip beziehungsweise der
Schichtenfolge, insbesondere dessen oder deren
Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet. Zusätzlich kann das Konversionselement über den Seitenflächen des
Halbleiterchips beziehungsweise der Schichtenfolge angeordnet sein .
Durch die Quantenstruktur der Konverterpartikel kann
insbesondere im Vergleich zu Leuchtstoffen eine spektral schmalbandige Emission beispielsweise mit einer
Halbwertsbreite (füll width at half maximum, FWHM) von kleiner 50 nm, insbesondere im Bereich von 30 nm im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzielt werden, während bekannte grüne Leuchtstoffe typischerweise eine
Emission mit einer Halbwertsbreite zwischen etwa 50 nm und 100 nm aufweisen. 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 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 Halbwertsbreite der Sekundärstrahlung der
Konverterpartikel bei höchstens 50 nm oder 40 nm oder 30 nm.
Dass die Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich liegt, bedeutet insbesondere, dass diese eine Peakwellenlänge im Bereich von einschließlich 500 nm bis einschließlich 680 nm, bevorzugt von einschließlich 500 nm bis einschließlich 600 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 510 nm bis einschließlich 580 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen einschließlich 520 nm und einschließlich 545 nm, aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Quantenschichten InxGa]__xN mit 0,1 -S x -S 0,5, bevorzugt 0,2 < x -S 0,4 auf oder die Quantenschichten bestehen aus InxGa]__xN mit 0,1 < x < 0,5, bevorzugt 0,2 < x < 0,4. Die
Quantenschichten sind durch ihre Zusammensetzung für die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung verantwortlich.
Insbesondere bestimmt der Indiumgehalt die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung. So liegt die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung beispielweise 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
Schichtdicke der Quantenschichten 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 = 0,4 und einer Schichtdicke der Quantenschichten von 2 nm bis 5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Quantenschichten eine Schichtdicke von einschließlich 2,0 nm bis einschließlich 5,0 nm, bevorzugt von 2,0 bis 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 AlyGa]_-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, bevorzugt 1,5 nm bis
einschließlich 17,5 nm auf, beispielweise 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 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 105 nm, bevorzugt 3,5 nm bis einschließlich 21,5 nm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die
Konverterpartikel eine Pufferschicht. Die Pufferschicht kann aus AlyGa]__yN mit 0 ^ y ^ 0,5, bevorzugt 0,0 -S
y -S 0,4, besonders bevorzugt 0,0 -S y -S 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. Unter
lichtdurchlässig wird verstanden, dass das Substrat zumindest teilweise durchlässig für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Konverterpartikel eine Schichtdicke von einschließlich 0,5 nm bis einschließlich 200 ym, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 100 ym, besonders bevorzugt von
einschließlich 5 nm bis einschließlich 30 ym, auf. Wenn die Konverterpartikel ein Substrat aufweisen, liegt die
Schichtdicke bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 ym und einschließlich 200 ym, besonders bevorzugt zwischen
einschließlich 0,5 ym und einschließlich 100 ym, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 ym und einschließlich 30 ym. Unter der Schichtdicke der Konverterpartikel kann insbesondere auch der Korndurchmesser der Konverterpartikel verstanden werden. Konverterpartikel mit Schichtdicken unterhalb von 0,5 ym weisen vorzugsweise kein Substrat auf. Es ist dennoch möglich, dass die Quantenstruktur oder die Pufferschicht und die Quantenstruktur von Konverterpartikeln ohne Substrat zunächst auf einem Substrat epitaktisch
aufgewachsen sind und dann das Substrat beispielsweise mittels eines Laser-Lift-Off-Verfahrens entfernt wurde.
Möglich ist auch, dass das Substrat, je nach Anforderungen an die Schichtdicke der Konverterpartikel, durch Schleif- oder Polierprozesse gedünnt wird. Damit ist es insbesondere bei substratlosen Konverterpartikeln möglich, diese besonders dünn auszugestalten, wodurch auch die Schichtdicke des
Konversionselements, beispielsweise ausgeformt als Verguss oder Schicht, verringert werden kann.
Die Konverterpartikel können gemäß einer Ausführungsform hergestellt sein, indem ein entsprechender Wafer umfassend das Substrat, der Pufferschicht und der Quantenstruktur durch Trenntechniken zu den entsprechenden Konverterpartikeln vereinzelt wird. Bevorzugt findet die Trennung lateral, also durch die abgeschiedenen Schichten (Substrat, Pufferschicht, Quantenstruktur) statt. Anstelle des Trennprozesses kann die Vereinzelung aber auch mechanisch, beispielsweise mithilfe einer Kugelmühle, erfolgen. Es ist auch möglich, dass das Substrat vor der Vereinzelung entfernt wird, beispielsweise durch ein Laser-Lift-Off-Verfahren . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Konverterpartikel einen Kern und eine Hülle auf, wobei der Kern vollständig von der Hülle umgeben ist. Der Kern umfasst die Quantenstruktur, die Quantenstruktur und die
Pufferschicht oder die Quantenstruktur, die Pufferschicht und das Substrat. Möglich ist auch, dass der Kern aus der
Quantenstruktur, der Quantenstruktur und der Pufferschicht oder der Quantenstruktur, der Pufferschicht und dem Substrat besteht. Die Hülle ist insbesondere sowohl transparent für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Konversionselement ein Matrixmaterial, in dem die
Konverterpartikel eingebettet sind. Die Konverterpartikel 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 Sekundärstrahlung 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 Sekundärstrahlung ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Konverterpartikel in dem Konversionselement beziehungsweise dem Matrixmaterial homogen oder zufällig verteilt.
Es ist auch möglich, dass die Konverterpartikel in dem
Konversionselement beziehungsweise dem Matrixmaterial mit einem Konzentrationsgradienten verteilt sind. Insbesondere ist die Konzentration an Konverterpartikeln in den Bereichen des Konversionselements, die sich näher an der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips befinden, höher als in Bereichen des Konversionselements, die sich weiter entfernt von der Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips befinden. Dies kann beispielsweise durch Sedimentation der Konverterpartikel beispielsweise vor dem Aushärten des Matrixmaterials erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Hülle einen Brechungsindex auf, der zwischen dem Brechungsindex des
Matrixmaterials und des Brechungsindex des Kerns liegt. Die Hülle kann beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 100 nm aufweisen und kann vorzugsweise den Kern vollständig umgeben. Als Material kann ein anorganisches Material, beispielsweise ein Aluminiumoxid, ein Aluminiumnitrid, ein Titanoxid oder ein Siliziumoxid für die Hülle verwendet werden. Mit Vorteil kann die Primär- und/oder
Sekundärstrahlung damit an den Konverterpartikeln gestreut werden . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Konversionselement Streupartikel, beispielsweise aus einem Titanoxid oder Aluminiumoxid. Mit Vorteil kann die Primär- und/oder Sekundärstrahlung damit an den Konverterpartikeln gestreut werden. Damit kann eine homogene
Abstrahlcharakteristik der Gesamtstrahlung des Bauelements erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Konversionselement einen Leuchtstoff, insbesondere Partikel eines Leuchtstoffs. Der Leuchtstoff ist insbesondere dazu eingerichtet, die Primärstrahlung teilweise in eine
Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip eine Strahlung im blauen Bereich des
elektromagnetischen Spektrums, die Primärstrahlung wird teilweise von den Konverterpartikeln und teilweise von dem Leuchtstoff in eine Sekundärstrahlung im grünen und im roten Spektralbereich konvertiert. Die Gesamtstrahlung kann sich aus einer Überlagerung der blauen Primärstrahlung und der grünen und roten Sekundärstrahlung ergeben und bei einem Betrachter einen weißen Leuchteindruck erwecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das
Bauelement in dessen Betrieb eine weiße Gesamtstrahlung. Die weiße Gesamtstrahlung weist vorzugsweise eine Farbtemperatur von 5000 K bis 20000 K auf. Als roter Bereich des elektromagnetischen Spektrums wird der Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen 580 nm und 650 nm verstanden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt, die (Ca, Sr) AIS1N3 : Eu2+,
Sr (Ca, Sr) Si2Al2N6 : Eu2+, (Sr, Ca) AlSiN3*Si2N20 : Eu2+,
(Ca, Ba, Sr) 2Si5N8 :Eu2+, (Sr,Ca) [L1AI3N4] :Eu2+,
(K, a) 2 ( Si , i ) Fg : Mn^+ und Kombinationen daraus umfasst. Die Leuchtstoffe zeichnen sich insbesondere durch eine geringe Halbwertsbreite ihres Emissionsspektrums aus. Die
Halbwertsbreite liegt bevorzugt unter 90 nm. Es handelt sich also um schmalbandige Leuchtstoffe. Kombiniert mit den schmalbandigen Konverterpartikeln kann eine hohe Farbreinheit des optoelektronischen Bauelements erzielt werden, wodurch eine hohe Farbraumabdeckung mit hoher Effizienz erzielbar ist. Die Bandbreite an Farben, die an einem Display
wiedergegeben werden können, ist durch das aufgespannte
Farbdreieck der Farben Rot, Grün und Blau limitiert. Diese Farben werden von dem Spektrum für die Hinterleuchtung von roten, grünen und blauen Farbfiltern entsprechend
herausgefiltert. Jedoch ist der Wellenlängenbereich der transmittierten Strahlung der Farbfilter immer noch sehr breit. Deshalb werden optoelektronische Bauelemente mit sehr schmalbandigen Emissionen, also einer geringen
Halbwertsbreite, im grünen, blauen und roten Spektralbereich benötigt, um einen möglichst breiten Farbraum abzudecken. Die Konverterpartikel weisen eine schmalbandige Emission auf, so dass das optoelektronische Bauelement gemäß dieser
Ausführungsform insbesondere für Hinterleuchtungsanwendungen von Displays geeignet ist. Die Dominanzwellenlängen der nitridischen Leuchtstoffe, also von (Ca, Sr) AIS1N3 :Eu2+, Sr (Ca, Sr) Si2Al2N6 : Eu2 + ,
(Sr, Ca) AlSiN3*Si2N20:Eu2+, (Ca,Ba, Sr) 2Si5N8 :Eu2+,
(Sr,Ca) [L1AI3N4 ] : Eu2+, liegen beispielweise bei einer
Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 590 nm bis 640 nm. Zudem können sich die Dominanzwellenlängen der nitridischen Leuchtstoffe im Bereich von 595 nm bis 625 nm für die Materialsysteme
(Ca, Sr) AlSiN3:Eu2+, Sr (Ca, Sr) Si2Al2N6 : Eu2+,
(Sr, Ca) AlSiN3*Si2N20:Eu2+ befinden. Zudem können sich die
Dominanzwellenlängen der nitridischen Materialien im Bereich von 623 nm bis 633 nm für das Materialsystem
(Sr,Ca) [L1AI3N4] :Eu2+ befinden. Weiterhin können sich die
Dominanzwellenlängen der nitridischen Materialien im Bereich von 590 nm bis 610 nm für das Materialsystem
(Ca, Ba, Sr) 2Si5 g :Eu + befinden.
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 Farborte der nitridischen 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
Materialsysteme (Ca, Sr) AlSiN3 : Eu2+, Sr (Ca, Sr) Si2Al2N6 : Eu2 + , (Sr,Ca) AlSiN3*Si2N20 :Eu2+. Die Farborte liegen beispielsweise (Anregungswellenlänge =
460 nm) im Bereich von Cx = 0.680 - 0.715; Cy = 0.280 - 0.320 für das Materialsystem (Sr,Ca) [L1AI3N4] :Eu2+. Die Farborte liegen beispielsweise (Anregungswellenlänge = 460 nm) im Bereich von Cx = 0.610 - 0.650; Cy = 0.340 - 0.380 für das Materialsystem (Ca, Ba, Sr) 2Si5 g : Eu2+ . Die Dominanzwellenlänge des fluoridischen Leuchtstoffmaterials befindet sich
beispielsweise bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung einer Peakwellenlänge von 460 nm im Bereich von 610 - 630 nm. Die Dominanzwellenlänge des fluoridischen Leuchtstoffs
(K, a) 2 ( Si , i ) Fg : Mn^+ befindet sich zudem beispielsweise im
Bereich von 617 - 624 nm. Der Farbort des fluoridischen
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 genannten Cx- und Cy-Werte beziehen sich bevorzugt auf die CIE-Normfarbtafel von 1931.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff eine Kombination aus (K, Na) 2 ( Si , Ti ) Fg : Mn^+ und (Ca, Sr) AlSiN3:Eu2+, Sr (Ca, Sr) Si2Al2N6 : Eu2+, (Sr, Ca) AlSiN3*Si2N20:Eu; + , (Ca, Ba, Sr) 2Si5N8 : Eu^+ oder (Sr,Ca) [L1AI3N4] :Eu2+.
Die Partikel der Leuchtstoffe können unabhängig voneinander eine mittlere Korngröße zwischen 1 ym und 50 ym, bevorzugt zwischen 5 ym und 40 ym, besonders bevorzugt zwischen 8 ym und 35 ym, 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 Konverterpartikeln, den
Streupartikeln und dem Matrixmaterial oder aus den
Konverterpartikeln, den Streupartikeln, den
LeuchtstoffPartikeln und dem Matrixmaterial.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet.
In einer Ausführungsform hat das Plättchen eine Schichtdicke von 1 ym bis 1 mm, bevorzugt 10 ym bis 300 ym, besonders bevorzugt 25 ym bis 200 ym.
Die Schichtdicke des gesamten Plättchens kann gleichmäßig sein. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden. In einer Ausführungsform umfasst das Plättchen ein
Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, in dem die
Konverterpartikel oder die Konverterpartikel und die
Leuchtstoffpartikel eingebettet sind. 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
Hauptstrahlungsaustrittsflache des Halbleiterchips oder über der Hauptstrahlungsaustrittsflache und den Seitenflächen des Halbleiterchips angeordnet sein. Die Schicht kann aufgesprüht oder aufgedruckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine lichtemittierende
Diode, kurz LED.
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 Ausführungsbeispiele von
Konverterpartikeln .
Figuren 3 bis 10 zeigen schematische Seitenansichten
verschiedener Ausführungsformen von optoelektronischen
Bauelementen .
Figur 1 zeigt den Aufbau eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Über dem Substrat 1,
beispielweise aus Saphir, ist eine Pufferschicht 2 aus GaN angeordnet. Über der Pufferschicht 2 ist die Quantenstruktur 3 angeordnet. Die Quantenstruktur 3 besteht aus
Quantenschichten 3a und Barriereschichten 3b, die
alternierend angeordnet sind, wobei direkt über der
Pufferschicht 2 eine Quantenschicht 3a angeordnet ist. Eine Quantenschicht 3a und eine Barriereschicht 3b bilden eine Doppelschicht 3c. Die Quantenschichten 3a bestehen
beispielsweise aus Ing>2^a0.8^ und die Barriereschichten 3b aus GaN. Durch den Indiumgehalt von 20 mol% bezogen auf die Gesamtmenge an Indium und Gallium ist der Konverterpartikel 4 dazu eingerichtet, eine Primärstrahlung im blauen
Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums,
beispielsweise mit einer Peakwellenlänge von 460 nm, in eine Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge von etwa 490 nm zu konvertieren. Eine Vollkonversion der Primärstrahlung kann dabei erfolgen, wenn die Quantenstruktur 3 aus 120 bis 200
Doppelschichten 3c besteht, und eine Teilkonversion, wenn die Quantenstruktur 3 aus fünf bis 120, bevorzugt zehn bis 50 Doppelschichten 3c besteht. Die Pufferschicht 2 und die
Quantenstruktur 3 sind auf dem Substrat 1 aus Saphir
epitaktisch aufgewachsen. Beispielweise weisen die
Quantenschichten 3a eine Schichtdicke von 2,9 nm und die Barriereschichten 3b eine Schichtdicke von 16 nm auf.
Figur 2A zeigt verschiedene Ausführungsformen eines
Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Der Konverterpartikel 4 besteht aus einem Substrat 1, einer Pufferschicht 2 (nicht gezeigt) und einer Quantenstruktur 3. Das Substrat 1 ist ein Saphirsubstrat, auf dem die
Pufferschicht 2 und die Quantenstruktur 3 epitaktisch
aufgewachsen sind. Das Substrat 1 kann dabei rechteckig, quadratisch (nicht gezeigt) , fünfeckig, sechseckig oder in Form eines Kegelstumpfes, ausgeformt sein. Je nach Geometrie des Substrats kann die Lichtauskopplung an die entsprechenden Anforderungen angepasst werden.
Figur 2B zeigt eine Ausführungsform eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Der Konverterpartikel 4 besteht aus einem Substrat 1, einer Pufferschicht 2 und einer Quantenstruktur 3. Die Schichtdicke der Quantenstruktur dg kann beispielsweise unter 10 ym liegen, die laterale
Ausdehnung A zwischen 0,5 ym und 200 ym und die Schichtdicke des Substrats bei 5 ym bis 150 ym.
Figur 2C zeigt eine Ausführungsform eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht, der nur aus der
Quantenstruktur 3 besteht.
Figur 2D zeigt eine Ausführungsform eines Konverterpartikels 4 in einer schematischen Seitenansicht. Der Konverterpartikel 4 umfasst eine Hülle 5 und einen Kern 6, der aus der
Quantenstruktur 3 und der Pufferschicht 2 besteht.
Figur 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines
Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Bauelements 100, insbesondere einer lichtemittierenden Diode. Das
optoelektronische Bauelement 100 weist einen Halbleiterchip 11 auf, der im Betrieb Primärstrahlung im blauen Bereich des des elektromagnetischen Spektrums, beispielsweise mit einer Peakwellenlänge von 460 nm, emittiert. Der Halbleiterchip 11 basiert beispielsweise auf Indiumgalliumnitrid. Der
Halbleiterchip 11 ist auf einem ersten elektrischen Anschluss 8 befestigt und elektrisch mit dem ersten elektrischen
Anschluss 8 kontaktiert. Über einen Bonddraht 10,
beispielsweise aus Gold, ist der Halbleiterchip 11 mit einem zweiten elektrischen Anschluss 9 kontaktiert. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste und zweite elektrische Anschluss 8, 9 in ein
lichtundurchlässiges, zum Beispiel vorgefertigtes, Gehäuse 7 mit einer Ausnehmung 12 eingebettet. Unter "vorgefertigt" ist zu verstehen, dass das Gehäuse 7 bereits an den Anschlüssen 8, 9 beispielsweise mittels Spritzguss fertig gebildet ist, bevor der Halbleiterchip 11 auf die Anschlüsse 8, 9 montiert wird. Das Gehäuse 7 umfasst zum Beispiel einen
lichtundurchlässigen Kunststoff, wie ein Polyphthalamid, und die Ausnehmung 12 ist als Reflektor für die Primärstrahlung und Sekundärstrahlung ausgebildet, wobei die Reflexion durch das Gehäusematerial oder gegebenenfalls durch eine geeignete Beschichtung der Innenwände der Ausnehmung 12 realisiert werden kann. Die Anschlüsse 8, 9 sind aus einem Metall gebildet, beispielsweise aus Ag oder AI, das eine
Reflektivität für die Primärstrahlung größer als 60 %, bevorzugt größer als 70 %, besonders bevorzugt größer als 80 aufweist . Das Konversionselement 15 ist beim Ausführungsbeispiel der
Figur 3 in Form eines Vergusses 13 ausgebildet und füllt die Ausnehmung 12 aus. Dabei umfasst das Konversionselement 15 ein Silikon oder ein Epoxid, in dem Konverterpartikel 4 und Leuchtstoffpartikel 14 eingebettet sind. Die
Konverterpartikel 4 und die Leuchtstoffpartikel 14 sind in dem Konversionselement 15 homogen verteilt. Möglich ist auch, dass die Konverterpartikel 4 und die Leuchtstoffpartikel 14 durch Sedimentation an der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips und dem Gehäuseboden GB konzentriert sind. Als Leuchtstoff wird beispielsweise
Sr (Ca, Sr) Si2Al2 g : Eu2+ eingesetzt. Der Leuchtstoff ist dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Spektralbereich und einer
Halbwertsbreite unter 85 nm zu konvertieren.
Die Konverterpartikel 4 umfassen beispielsweise ein Substrat, beispielweise aus Saphir, und eine darüber angeordnete
Pufferschicht aus GaN. Über der Pufferschicht ist die
Quantenstruktur angeordnet. Die Quantenstruktur besteht aus Quantenschichten und Barriereschichten, die alternierend angeordnet sind, wobei direkt über der Pufferschicht eine Quantenschicht angeordnet ist. Die Quantenschichten bestehen beispielsweise aus Ing.4Gao.6 und die Barriereschichten aus
GaN. Durch den Indiumgehalt von 40 mol%, bezogen auf die Gesamtmenge an Indium und Gallium, sind die Konverterpartikel dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen
Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise in eine Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge von etwa 580 nm und einer Halbwertsbreite unter 50 nm zu konvertieren. Die Quantenstruktur besteht aus zehn bis 50 Doppelschichten, wobei eine Doppelschicht aus einer Quantenschicht und einer Barriereschicht besteht. Beispielweise weisen die
Quantenschichten 3a eine Schichtdicke von 2,9 nm und die Barriereschichten 3b eine Schichtdicke von 16 nm auf.
Die Gesamtstrahlung setzt sich aus der Primärstrahlung und den Sekundärstrahlungen im grünen und roten Spektralbereich zusammen und erzeugt beim Betrachter einen weißen
Leuchteindruck. Die Gesamtstrahlung weist bevorzugt eine Farbtemperatur von 5000 K bis 20000 K auf und liegt damit bevorzugt in der Nähe der Planck 'sehen Strahlungskurve oder in der Nähe der jeweiligen Isothermen. Im CIE-Farbdiagramm (1931) liegen die Farbkoordinaten des Bauelements
beispielsweise bei Farborten im Bereich von Cx 0,20 - 0,40 und Cy 0,20 - 0,40, bevorzugt im Bereich von Cx 0,22 - 0,35 und Cy 0,22 - 0,35. 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. Die Gesamtstrahlung wird nach oben über das
Konversionselement 15 abgestrahlt.
In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 enthält das
Konversionselement 15 im Unterschied zu dem Bauelement in Figur 3 keine Leuchtstoffpartikel . Die Konverterpartikel 4 sind dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen
Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums vollständig oder nahezu vollständig in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Die Quantenstruktur der Konverterpartikel 4 besteht aus 120 bis 200 Doppelschichten, wobei eine Doppelschicht aus einer Quantenschicht und einer Barriereschicht besteht. Die
Konverterpartikel 4 sind durch Sedimentation an der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips und dem Gehäuseboden GB des Konversionselements 15 konzentriert.
Möglich ist aber auch eine homogene Verteilung der
Konverterpartikel 4 in dem Konversionselement 15.
Die Gesamtstrahlung besteht vollständig oder nahezu
vollständig aus der Sekundärstrahlung im grünen
Spektralbereich .
Alternativ können die Konverterpartikel 4 dazu eingerichtet sein, die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise in eine
Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Die Gesamtstrahlung setzt sich gemäß dieser alternativen Ausführungsform aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung im grünen
Spektralbereich zusammen. Der Anteil an Primärstrahlung kann an der Gesamtstrahlung zwischen 0 und 99 % liegen, wobei 0 % einer Vollkonversion entspricht. Die Farborte der Gesamtstrahlung liegen im CIE- Farbdiagramm auf der Konversionslinie zwischen den Farborten der reinen Primärstrahlung und den reinen Farborten der
Sekundärstrahlung.
In dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist im Unterschied zu dem Bauelement in Figur 3 das Konversionselement 15 als Schicht ausgebildet. Die Schicht kann aufgesprüht oder aufgedruckt sein. Das Konversionselement 15 ist über der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 11 angeordnet. Insbesondere kann zwischen dem Konversionselement 15 und dem Halbleiterchip 11 eine Haftschicht (nicht
gezeigt), beispielweise aus Silikon, angeordnet sein. In der Ausnehmung 12 des Gehäuses 7 ist ein Verguss 13 angeordnet, der insbesondere transparent für die Sekundärstrahlung oder die die Sekundärstrahlung und die Primärstrahlung ausgebildet ist .
In dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist im Unterschied zu dem Bauelement in Figur 4 das Konversionselement 15 als Schicht ausgebildet. Das Konversionselement 15 ist über der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 11 angeordnet. Insbesondere kann zwischen dem Konversionselement 15 und dem Halbleiterchip 11 eine Haftschicht (nicht
gezeigt), beispielweise aus Silikon, angeordnet sein. In der Ausnehmung 12 des Gehäuses 7 ist ein Verguss 13 angeordnet, der insbesondere transparent für die Sekundärstrahlung und die Primärstrahlung ausgebildet ist. In dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist ein Halbleiterchip 11 auf einem Substrat 16 angeordnet. Das Substrat 16 ist
reflektierend für die Primärstrahlung ausgebildet. Über dem Substrat 16 und über den Seitenflächen des Halbleiterchips IIa ist eine erste reflektierende Schicht 17a angeordnet. Der Halbleiterchip 11 emittiert die Primärstrahlung damit nur über die Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA. Das
Konversionselement 15 ist als Schicht ausgebildet. Das
Konversionselement 15 ist über der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips 11 und über der ersten reflektierenden Schicht 17a angeordnet.
Zwischen dem Konversionselement 15 und der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA und zwischen dem
Konversionselement 15 und der ersten reflektierenden Schicht 17a kann eine Haftschicht (nicht gezeigt) angeordnet sein. Das Konversionselement 15 enthält ein Matrixmaterial und Konverterpartikel 4. Die Konverterpartikel 4 können wie in den Figuren 1, 2, 3 oder 4 beschrieben ausgebildet sein.
Zusätzlich können Leuchtstoffpartikel von dem
Konversionselement 15 umfasst sein, die die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren. Über dem
Konversionselement 15 ist eine zweite reflektierende Schicht 17b angeordnet. Die reflektierenden Schichten 17a und 17b umfassen beispielsweise Titandioxid-Partikel. Die
Titandioxid-Partikel können in einem Matrixmaterial wie
Silikon eingebettet sein. Beispielsweise enthalten die reflektierenden Schichten 17a, 17b 10 bis 99 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 80 Vol.-% Titandioxid-Partikel in Bezug auf das Gesamtvolumen der reflektierenden Schichten 17a, 17b. Die reflektierenden Schichten 17a, 17b sind insbesondere
reflektierend für die Primärstrahlung und die
Sekundärstrahlung ausgebildet.
Alternativ kann anstelle der reflektierenden Schicht 17a auch hier das Konversionselement 15 ausgebildet sein. In dieser alternativen Ausführungsform sind die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des Halbleiterchips sowie die Seitenflächen des Halbleiterchips IIa von dem
Konversionselement 15 bedeckt.
Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel seitlich über das Konversionselement 15 abgestrahlt.
In dem in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist im Gegensatz zu dem in Figur 7 gezeigten Bauelement das Konversionselement 15 nur über der Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA des
Halbleiterchips angeordnet. Über den Seitenflächen des
Konversionselements 15a und der ersten reflektierenden
Schicht 17a ist ein transparenter Verguss 13 angeordnet, beispielsweise aus Silikon. Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel seitlich über das
Konversionselement 15 und über den Verguss 13 nach außen abgestrahlt .
In dem in Figur 9A dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist ein Konversionselement 15 über einem Halbleiterchip 11 angeordnet. Der
Halbleiterchip 11 ist auf einem ersten elektrischen Anschluss 8 und einem zweiten elektrischen Anschluss 9 angeordnet und elektrisch kontaktiert. Der Halbleiterchip 11 emittiert eine Primärstrahlung im blauen Spektralbereich. Das
Konversionselement 15 ist als Schicht ausgebildet. Zwischen dem Konversionselement 15 und der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche SA kann eine Haftschicht
(nicht gezeigt) angeordnet sein. Das Konversionselement 15 enthält ein Matrixmaterial, Leuchtstoffpartikel 14 und
Konverterpartikel 4. Die Leuchtstoffpartikel 14 und die
Konverterpartikel 4 können wie in den Figuren 1, 2, 3 oder 4 beschrieben ausgebildet sein. Über den Seitenflächen des Konversionselements 15a und den Seitenflächen des
Halbleiterchips IIa ist eine reflektierende Schicht 17 angeordnet. Die reflektierende Schicht 17 umfasst
beispielsweise Titandioxid-Partikel. Die Titandioxid-Partikel können in einem Matrixmaterial wie Silikon eingebettet sein. Beispielsweise enthält die reflektierende Schicht 10 bis 99 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 80 Vol.-% Titandioxid-Partikel in Bezug auf das Gesamtvolumen der reflektierenden Schicht 17. Die reflektierende Schicht 17 ist reflektierend für die
Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung ausgebildet. Die
Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel nach oben über das Konversionselement 15 abgestrahlt. Insbesondere handelt es sich bei der Gesamtstrahlung um weiße Strahlung aus einer Überlagerung der Primärstrahlung und der
Sekundärstrahlungen im grünen und roten Spektralbereich.
In dem in Figur 9B dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 ist ein Konversionselement 15 über einem Halbleiterchip 11 und einer reflektierenden Schicht 17 angeordnet. Der Halbleiterchip 11 ist auf einem ersten elektrischen Anschluss 8 und einem zweiten
elektrischen Anschluss 9 angeordnet und elektrisch
kontaktiert. Der Halbleiterchip 11 emittiert eine Primärstrahlung im blauen Spektralbereich. Das
Konversionselement 15 ist als Schicht ausgebildet. Zwischen dem Konversionselement 15 und der
Hauptstrahlungsaustrittsflache SA des Halbleiterchips 11 kann eine Haftschicht (nicht gezeigt) angeordnet sein. Das
Konversionselement 15 enthält ein Matrixmaterial und
Konverterpartikel 4. Die Konverterpartikel 4 können wie in den Figuren 1, 2, 3 oder 4 beschrieben ausgebildet sein. Über den Seitenflächen des Halbleiterchips IIa ist die
reflektierende Schicht 17 angeordnet. Die reflektierende
Schicht 17 umfasst beispielsweise Titandioxid-Partikel. Die reflektierende Schicht 17 ist reflektierend für die
Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung ausgebildet. Die Gesamtstrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel nach oben und seitlich über das Konversionselement 15 abgestrahlt.
In dem in Figur 10 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 enthält das
Konversionselement 15 im Unterschied zu dem Bauelement in Figur 9A keine Leuchtstoffpartikel . Die Konverterpartikel 4 sind dazu eingerichtet, die Primärstrahlung im blauen
Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums teilweise oder vollständig beziehungsweise nahezu vollständig in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Die Farborte der Gesamtstrahlung liegen im CIE-Farbdiagramm auf der Konversionslinie zwischen den Farborten der reinen Primärstrahlung und den reinen
Farborten der Sekundärstrahlung. Der Anteil an
Primärstrahlung kann an der Gesamtstrahlung zwischen 0 und 99 % liegen.
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 123 972.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Substrat
2 Pufferschicht
3 Quantenstruktur
3a Quantenschicht
3b Barriereschicht
3c Doppelschicht
4 Konverterpartikel
5 Hülle
6 Kern
7 Gehäuse
8 erster elektrischer Anschluss
9 zweiter elektrischer Anschluss
10 Bonddraht
11 Halbleiterchip
IIa Seitenfläche des Halbleiterchips
12 Ausnehmung
13 Verguss
14 Leuchtstoffpartikel
15 Konversionselement
15a Seitenfläche des Konversionselements
16 Substrat des optoelektronischen Bauelements
17a erste reflektierende Schicht
17 reflektierende Schicht
17b erste reflektierende Schicht
ds Schichtdicke des Substrats
dQ Schichtdicke der Quantenstruktur
A laterale Ausdehnung
SA HauptStrahlungsaustrittsfläche
GB Gehäuseboden
100 optoelektronisches Bauelement

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement (100) umfassend
- einen Halbleiterchip (11), der dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren,
- ein Konversionselement (15) umfassend Konverterpartikel (4), die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine
elektromagnetische Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren, wobei die
Konverterpartikel (4) eine Quantenstruktur (3) mit
Barriereschichten (3b) und Quantenschichten (3a) aufweisen und die Quantenschichten (3a) und die Barriereschichten (3b) alternierend angeordnet sind.
2. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei die Quantenschichten (3a) eine Schichtdicke von
einschließlich 2 nm bis einschließlich 5 nm aufweisen.
3. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Barriereschichten (3b) eine Schichtdicke von einschließlich 1,5 nm bis einschließlich 100 nm aufweisen. 4. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Quantenschichten (3a) InxGa]__xN mit 0,1 ^ x ^ 0,5, bevorzugt 0,2 < x < 0,4, aufweisen oder aus InxGa]__xN mit 0,1 < x < 0,5, bevorzugt 0,2 < x < 0,
4, bestehen.
5. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschichten (3b) AlyGa]_-yN mit 0,0 -S y -S 0,5, bevorzugt 0,0 -S y -S 0,4, aufweisen oder aus AlyGa]_-yN mit 0,0 < y < 0,5, bevorzugt 0,0 -S y -S 0,4, bestehen.
6. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine Barriereschicht (3b) und eine Quantenschicht (3a) jeweils eine Doppelschicht (3c) bilden und wobei die
Konverterpartikel (4) einschließlich fünf bis einschließlich 200 Doppelschichten (3c) aufweisen.
7. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 6, wobei eine Doppelschicht (3c) eine Schichtdicke von
einschließlich 3,5 nm bis einschließlich 105 nm aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Quantenschichten (3a) und Barriereschichten (3b) auf einem Substrat (1) angeordnet und/oder aufgewachsen sind.
9. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektromagnetische Primärstrahlung eine
Peakwellenlänge im Bereich von einschließlich 350 nm bis 480 nm und die Sekundärstrahlung im grünen Bereich des
elektromagnetischen Spektrums eine Peakwellenlänge im Bereich von einschließlich 500 nm bis 600 nm oder 570 nm bis 680 nm aufweist .
10. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konverterpartikel (4) eine Schichtdicke von
einschließlich 0,5 nm bis einschließlich 200 ym, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 100 ym, besonders bevorzugt von einschließlich 5 nm bis einschließlich 30 ym, aufweisen .
11. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konverterpartikel (3a) einen Kern (6) und eine Hülle (5) aufweisen, wobei der Kern (6) die Quantenstruktur (3) umfasst.
12. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionselement (15) ein Matrixmaterial umfasst, in dem die Konverterpartikel (4) eingebettet sind.
13. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionselement (15) ein Matrixmaterial umfasst, in dem die Konverterpartikel (4) eingebettet sind und die Konverterpartikel (4) einen Kern (6) und eine Hülle (5) aufweisen, wobei der Kern (6) die Quantenstruktur (3) umfasst und wobei die Hülle (5) aus einem Material gebildet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem
Brechungsindex des Matrixmaterials und dem Brechungsindex des Kerns (6) liegt.
14. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
das dazu eingerichtet ist, eine weiße Gesamtstrahlung zu emittieren, wobei das Konversionselement (15)
Leuchtstoffpartikel umfasst, die dazu eingerichtet sind, die Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung im roten
Spektralbereich zu konvertieren.
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