BUNDESREPUBLIK ® Offenlegungsschrift
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`”EUTSWLAN"
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`DE 19638 567 A1
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`@ lnt.Cl.3:
`H 01 L 33/00
`602nm
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`Hill)!lllll("IllMINI)!!!Willi”)(”Hill”)!!!(Ht)!!!(NI)
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`@ Aktenzeichen:
`(:2) Anmeldetag:
`® Offenlegungstag:
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`196386675
`20. 9.96
`2. 4.98
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`DEUTscHEs
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`PATENTAMT
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`DE19638667A1
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`® Anmelder:
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`Siemens AG, 80333 Mfinchen, DE
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`® Erfinder:
`Schlotter, Peter, Dr., 79112 Freiburg, DE; Schmidt,
`Rolf, 79279 V6rstetten, DE; Schneider, Jfirgen, Dr.,
`79199 Kirchzarten, DE
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`Entgegenhaltungen:
`DE
`33 15 675 02
`DE
`38 O4 293 A1
`DE-OS
`20 59 909
`Abstract zu JP 07 176 794 A;
`»App1.Phys.Lett.« 69 (12. Aug. 1996) 898-900;
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`(4, 5) weist ainen anorganischsn Leuchtstoff (6) auf.
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`Prfifungsantrag gem. § 44 P316 ist gestellt
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`@ Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement
`@ Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement
`mit einem Strahlung aussandanden Halbleiterkarper (1) und
`einam Lumineszenzkonversionselement (4, 5). Der Halblei-
`terkfirper (1) sendet Strahlung mit einer Wellenlénge 1» S
`520 nm und das Lumineszenzkonversionselement
`(4, 5)
`wandelt einen Tail dieser Strahlung in Strahlung mit ainer
`grfifieren Wellenlénge um. Dadurch lessen sich Leuchtdi-
`oden herstellen, die mischfarbiges Licht. insbesondere wei-
`Bes Licht abstrahlan. Das Luminaszenzkonversionseiement
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`Die folgendon Angabon sind don vom Anmolder oingereichton Untorlagan entnommon
`BUNDESDRUCKEREI O2. 98 8020154138
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`Beschreibung
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`Die Erfindung bezieht sich auf ein mischfarbiges, ins-
`besondere weiBes Licht abstrahlendes Halbleiterbau-
`element.
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`In vielen potentiellen Anwendungsgebieten ffir
`Leuchtdioden, wie zum Beispiel bei Anzeigeelementen
`im Kfz-Armaturenbrett, Beleuchtung in Flugzeugen
`und Autos und bei vollfarbtauglichen LED-Displays,
`tritt verst‘cirkt die Forderung nach Leuchtdiodenanord-
`nungen auf, mit denen sich mischfarbiges Licht, insbe-
`sondere weiBes Licht erzeugen léBt. Bisher IiiBt sich
`weiBes ”LED”-Licht nur mit sogenannten Multi—LEDs
`erzeugen, bei denen drei verschiedenfarbige Leuchtdi-
`oden (i. a. eine rote, eine grfine und eine blaue) oder zwei
`komplementérfarbige Leuchtdioden (z. B. eine blaue
`und eine gelbe) verwendet werden. Neben einem erhéh-
`ten Montageaufwand sind fiir solche Multi-LEDs auch
`aufwendige Ansteuerelektroniken erforderlich, da die
`verschiedenen Diodentypen unterschiedliche Ansteuer-
`spannungen ben6tigen. AuBerdem wird die Langzeitsta-
`bilitit hinsichtlich Wellenléinge und Intensitét durch un-
`terschiedliche Alterungserscheinungen der verschiede-
`nen Leuchtdioden und auch aufgrund der unterschiedli-
`chen Ansteuerspannungen und den daraus resultieren-
`den unterschiedlichen Betriebsstrémen beeintrichtigt
`Ein zusétzlicher Nachteil der Muiti-LEDs besteht darin,
`daB die Bauteilminiaturisierung stark begrenzt ist.
`Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar-
`in, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten
`Art zu entwickeln, mit dem auf technisch einfache Wei-
`se, mit einem mijglichst geringen Bauteileaufwand,
`mischfarbiges Licht, insbesondere weiBes Licht erzeugt
`werden kann.
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`Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs—
`gemfiBen Halbleiterbauelements besteht das Lumines-
`zenzkonversionselement zumindest teilweise aus einem
`transparenten Epoxidharz, das mit dem anorganischen
`Leuchtstoff versehen ist Vorteilhafterweise lassen sich
`nfimlich
`anorganische Leuchtstoffe
`insbesondere
`Phosphore wie z. B. YAG:Ce (Y3A15012 :Ce“), auf
`einfache Weise in Epoxidharz einbinden. Weiterhin als
`Leuchtstoffe geeignet sind weitere mit Seltenen Erden
`dotierte Granate
`wie
`z. B.
`Y3Ga5012 :Ce3+,
`Y(A1,Ga)5012 :Ce3+ und Y(A1,Ga)5012 :Tb3+ sowie
`mit Seltenen Erden dotierte Erdalkali-Sulfide wie z. B.
`SrS :Ce3+,
`Na,
`SrS :Ce3"',
`Cl,
`SrS :CeCls,
`CaS :Ce3+ + und SrSe :Ce3+.
`Zur Erzeugung von mischfarbigem Licht eignen sich
`dariiberhinaus mit Seltenen Erden dotierte Thiogallate
`wie z. B. CaGa;S4 :Ce3+ und SrGa2$4 :Ce3+ sowie mit
`Seltenen Erden dotierte Aluminate wie z. B. YA-
`103 £63“, YGa03 :Ce3+, Y(A],Ga)03 :Ce3+ und mit
`Seltenen Erden dotierte Orthosilikate M28i05 :Ce3+
`(M: Sc, Y, Sc) wie z. B. YgSios : Ce“. Bei allen Yttrium-
`verbindungen kann das Yttrium im Prinzip auch durch
`Scandium oder Lanthan ersetzt werden.
`Ebenso kann vorteilhafterweise bei dem erfindungs-
`geméiBen Halbleiterbauelement auch eine Anzahl (einer
`oder mehrere) von aus dem ersten Wellenlfingenbereich
`stammenden ersten spektralen Teilbereichen in mehre-
`re zweite Wellenlingenbereiche umgewandelt werden.
`Dadurch ist es vorteilhafterweise méglich, vielffiltige
`Farbmischungen und Farbtemperaturen zu erzeugen.
`Das erfindungsgeméiBe Halbleiterbauelement hat den
`besonderen Vorteil, daB das fiber Lumineszenkonver-
`sion erzeugte Wellenlfingenspektrum und damit die
`Farbe des abgestrahlten Lichtes nicht von der Héhe der
`Betriebsstromstfirke durch den Halbleiterkérper ab-
`héngt Dies ist insbesondere dann von groBer Bedeu—
`tung, wenn die Umgebungstemperatur des Halbleiter-
`bauelementes und damit bekanntermaBen auch die Be-
`triebsstromstéirke stark schwankt. Besonders Leuchtdi-
`oden mit einem Halbleiterkérper auf der Basis von GaN
`sind diesbezfiglich sehr empfindlich.
`AuBerdem benfitigt das erfindungsgemfiBe Halblei-
`terbauelement im Gegensatz zu den eingangs genann-
`ten Multi-LEDS nur eine einzige Ansteuerspannung und
`damit auch nur eine einzige Ansteuerschaltungsanord—
`nung, wodurch der Bauteileaufwand sehr gering gehal-
`ten werden kann.
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`Diese Aufgabe Wird dureh ein Halbleiterbauelement
`nach Anspruch 1 gelbst. Vorteilhafte Weiterbildungen
`der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspriiche 2
`bis 30. Die Unteransprfiche 31 bis 34 geben bevorzugte
`Verwendungsméglichkeiten des
`erfindungsgemiBen
`Halbleiterbauelements an.
`ErfindungsgeméiB ist ein Strahlung aussendender
`Halbleiterkérper, mit mindestens einem ersten und min-
`destens einem zweiten mit dem Halbleiterkérper elek-
`trisch leitend verbundenen elektrischen AnschluB vor-
`gesehen, dem ein Lumineszenzkonversionselement zu-
`geordnet ist. Der Halbleiterkérper weist eine Schichten-
`folge auf, die eine elektromagnetische Strahlung mit
`Wellenléingen x S 520 nm aussendet. Sie weist insbe-
`sondere eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht
`aus Gaxin1_xN oder GaxAh _xN auf. Das Lumineszenz-
`konversionselement wandelt Strahlung eines ersten
`spektralen Teilbereiches der von dem Halbleiterkérper
`ausgesandten, aus einem ersten Wellenliingenbereich
`stammenden Strahlung in Strahlung eines zweiten Wel-
`Ienléingenbereiches um, derart, daB das Halbleiterbau-
`element Strahlung aus mindestens einem zweiten spek-
`tralen Teilbereich des ersten Welienl‘cingenbereiches
`und Strahlung des zweiten Wellenlingenbereiches aus-
`sendet. Das Lumineszenzkonversionselement ist dazu
`mit mindestens einem anorganischen Leuchtstoff, insbe-
`sondere mit einem Phosphor versehen. Das heiBt zum
`Beispiel, daB das Lumineszenzkonversionselement ei-
`nen Teil einer vom Halbleiterkérper ausgesandten
`Strahlung spektra] selektiv absorbiert und im linger-
`welligen Bereich (im zweiten Wellenlingenbereich)
`emittiert. Idealerweise weist die von dem Halbleiterkér-
`per ausgesandte Strahlung bei einer Wellenlinge k s
`520 nm ein Intensitétsmaximum auf.
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`Bei einer besonders bevorzugten Ausffihrungsform
`der Erfindung ist als Lumineszenzkonversionselement
`fiber oder auf dem Halbleiterkérper eine teiltransparen-
`te, d. h. eine ffir die von dem Strahlung aussendenden
`Halbleiterkérper ausgesandte Strahlung teilweise trans-
`parente Lumineszenzkonversionsschicht vorgesehen.
`Um eine einheitliche Farbe des abgestrahlten Lichtes
`sicherzustellen, ist vorteilhafterweise die Lumineszenz-
`konversionsschicht derart ausgebildet, daB sic durch-
`weg eine konstante Dicke aufweist Ein besonderer Vor-
`teil eines erfindungsgemfiBen Halbleiterbauelements
`gemfiB dieser Weiterbildung besteht darin, daB auf ein-
`fache Weise eine hohe Reproduzierbarkeit erzielt wer~
`den kann, was fiir eine effiziente Massenfertigung von
`wesentlicher Bedeutung ist. Als Lumineszenzkonver-
`sionsschicht kann beispielsweise eine mit anorgani-
`schem Leuchtstoff versetzte Lack- oder Kunstharz—
`schicht vorgesehen sein.
`Eine andere bevorzugte Ausfiihrungsform des erfin-
`dungsgemiiBen Halbleiterbauelernentes weist als Lumi-
`nenzkonversionselement eine teiltransparente Lumi-
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`neszenzkonversionsumhfillung auf, die zumindest einen
`Teil des Halbleiterkérpers (und evtl. Teilbereiehe der
`elektrischen Anschlfisse) umschlieBt und gleichzeitig als
`Bauteilumhfillung (Geh'ause) genutzt sein kann. Der
`Vorteil eines Halblelterbauelements gemaB dieser Aus-
`ffihrungsform besteht im wesentlichen darin, daB zu sei-
`ner Herstellung konventlonelle, ffir die Herstellung von
`herkbmmlichen Leuchtdioden (z. B. Radial-Leuchtdi-
`oden} eingesetzte Produktionslinien genutzt werden
`kt'mnen. Ffir die Bauteilumhiillung ist anstelle des bei
`herkbmmlichen Leuchtdioden daffir verwendeten trans-
`
`parenten Kunststoffes das Material der Lumineszenz-
`konversionsumhfillung verwendet.
`Bei vorteilhaften Ausffihrungsformen des erfindungs—
`gemaBen Halbleiterbauelements und der beiden oben
`genannten bevorzugten Ausffihrungsformen besteht die
`Lumineszenzkonversionsschicht bzw. die Lumineszenz-
`konversionsumhfillung aus einem transparenten Mate-
`rial (z. B. Kunststoff (Wie Epoxidharz)), das mit minde-
`stens einem anorganischen Farbstoff versehen ist (Bei-
`spiele ffir geeignete Kunststoffe linden sich weiter un-
`ten). Auf diese Weise lassen sich Lumineszenzkonver—
`sionselemente besonders kostengfinstig herstellen. Die
`dazu notwendigen Verfahrensschritte sind namlich ohne
`groBen Aufwand in herkémmliche Produktionslinien ffir
`Leuchtdioden integrierbar.
`Bel einer besonders bevorzugten Weiterbildung der
`Erfindung bzw. der 0. g. Ausffihrungsformen ist vorge-
`sehen, daB der oder die zweiten Wellenlangenbereiche
`zumindest tellweise gréBere Wellenlangen aufweisen
`als der erste Wellenlangenbereich.
`Insbesondere ist vorgesehen, daB ein zweiter spektra—
`ler Teilbereich des ersten Wellenlangenbereiches und
`ein zweiter Wellenlangenbereich zueinander komple-
`mentéir sind. Auf diese Weise kann aus einer einzigen
`farbigen Lichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode
`mit einem einzigen blaues oder grfines Licht abstrahlen-
`den Halbleiterkérper, mischfarbiges, insbesondere wei-
`Bes Licht erzeugt werden. Um z. B. mit einem blaues
`Licht aussendenden Halbleiterkérper weiBes Licht zu
`erzeugen, wird ein Tell des von dem Halbleiterkfirper
`ausgesandten Spektralbereiches in einen gelben Spek-
`tralbereich konvertiert Die Farbtemperatur des weiBen
`Lichtes kann dabel durch geeignete Wahl des anorgani«
`schen Leuchtstoffes und geeignele Gestaltung des Lu-
`mineszenzkonversionselements
`(z. B.
`hinsichtlich
`Schichtdicke und Leuchtstoffkonzentration), variiert
`werden. Dariiberhinaus bieten diese Anordnungen vor-
`teilhafterweise auch die Méglichkeit, Leuchtstoffmi-
`schungen einzusetzen, wodurch sich vorteilhafterweise
`der gewfinschte Farbton sehr genau einstellen laBt.
`Ebenso kénnen Lumineszenzkonversionselemente
`
`inhomogen ausgestaltet sein, z. B. mittels einer inhomo-
`genen Leuchtstoffverteilung. Unterschiedliche Weglan-
`gen cles Lichtes durch das Lumineszenzkonversionsele-
`ment kennen dadurch vorteilhafterweise kompensiert
`werden.
`Bei einer weiteren bevorzugten Ausffihrungsform des
`erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements weist das
`Lumineszenzkonversionselement oder ein anderer Be-
`standteil einer Bauteilumhiillung zur Farbanpassung ei-
`nen oder mehrere Farbstoffe auf, die keine Wellenlan-
`genkonversion bewirken. Hierzu kennen die fiir die
`Herstellung von herkémmlichen Leuchtdioden verwen-
`deten Farbstoffe wie z. B. Azo-, Anthrachinon- oder Pe—
`rinon-Farbstoffe wie herkbmmlich eingesetzt warden.
`Bei einer vorteilhaften Weiterbiidung des erfindungs—
`gemiiBen Halbleiterbauelements ist zumindest ein Tell
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`der Oberfléiche des Halbleiterkfirpers von einer ersten,
`z. B. aus einem Kunststoff bestehenden transparenten
`Umhfillung umgeben, auf der die Lumineszenzkonver-
`sionsschicht aufgebracht ist. Dadurch Wird die Strah-
`Iungsdichte im Lumineszenzkonversionselement und
`somit dessen Strahlungsbelastung verringert, was sich je
`nach verwendeten Materialien positiv auf die Lebens-
`dauer des Lumineszenzkonversionselementes auswirkt.
`Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der
`Erfindung sowie der oben genannten Ausffihrungsfor~
`men ist ein Halbleiterkérper, z. B. eine Leuchtdiode
`oder eine Laserdiode verwendet, bei dem das ausge-
`sandte Strahlungsspektrum bei einer Wellenlange zwi-
`schen 420nm und 460 nm, insbesondere bei 430 nm (2. B.
`Halbleiterkérper auf der Basis von GaxAh_xN) oder
`450 nm (2. B. Halbleiterkérper auf der Basis von Ga-
`xIn1_xN) ein Intenititsmaximum. Mit einem derartigen
`erfindungsgemaBen Halbleiterbauelement lassen sich
`vorteilhafterweise nahezu samtliche Farben und Misch-
`
`farben der C.I.E. -Farbtafel erzeugen.
`Bel einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbil-
`dung der Erfindung und deren Ausffihrungsformen ist
`die Lumineszenzkonversionsumhfi[lung bzw. die Lumi-
`neszenzkonversionsschicht aus einem Lack oder aus ei-
`
`nem Kunststoff, wie beispielsweise die fiir die Umhfil-
`lung optoelektronischer Bauelemente eingesetzten Sili-
`kon-, Thermoplast- oder Duroplastmaterialien (Epoxid-
`u. Acrylatharze) hergestellt Desweiteren kénnen z. B.
`aus Thermoplastmaterialien gefertigte Abdeckelemente
`als Lumineszenzkonversionsschicht eingesetzt
`sein.
`Simtliche oben genannten Materialien lassen sich auf
`einfache Weise mit einem oder mehreren anorganischen
`Leuchtstoffen versetzen.
`Besonders einfach laBt sich ein erfindungsgeméiBes
`Halbleiterbauelement vorteilhafterweise dann realisie-
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`ren, wenn der Halbleiterkbrper gemaB einer bevorzug-
`ten Weiterbildung in einer Ausnehrnung eines gegebe-
`nenfalls vorgefertigten Gehiuses angeordnet ist und die
`Ausnehmung mit einem die Lumineszenzkonversions-
`schicht aufweisenden Abdeckelement versehen isL Ein
`derartiges Halbleiterbauelement
`I'aBt sich in groBer
`Stfickzahl in herkémmlichen Produktionslinien herstel-
`
`len. Hierzu muB lediglich nach der Montage des Halblei-
`terkérpers in das Gehause, das Abdeckelement, bei-
`spielsweise eine Lack- oder GieBharzschicht oder eine
`vorgefertigte Abdeckplatte aus Thermoplastmaterlal,
`auf das Gehéiuse aufgebracht werden. Optional kann die
`Ausnehmung des Gehauses mit einem transparenten
`Material, beispielsweise einem transparenten Kunst—
`stoff, geffillt sein, das z. B. die Wellenlange des von dem
`Halbleiterkérper ausgesandten Lichtes nicht verandert
`oder aber, falls gewfinscht, bereits lumineszenzkonver—
`tierend ausgebildet sein kann. Im letztgenannten Fall
`kann das Abdeckelement auch weggelassen sein.
`Vorteilhafte Materialien zur Herstellung der 0. g. Lu-
`mineszenzkonversionsschicht bzw. Lumineszenzkon—
`versionsumhiillung sind z. B. Polymethylmetacrylat
`(PMMA) oder Epoxidharz dem ein oder mehrere anor-
`ganische Leuchtstoffe zugesetzt sind.
`Bel einer besonders bevorzugten Ausffihrungsform
`des erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements beste-
`hen zumindest alle lichtdurchstrahlten Komponenten
`der Umhijllung, d. h. auch die Lumineszenzkonversions-
`umhiillung bzw. -schicht aus rein anorganischen Mate-
`rialien. Das Lumineszenzkonversionselement besteht
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`somit aus einem anorganischen Leuchtstoff, der in ei-
`nem temperaturstabilen, transparenten oder teiltrans-
`parenten anorganischen Material eingebettet ist. Insbe-
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`sondere besteht das Lumineszenzkonversionselement
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`aus einem anorganischen Phosphor, der in ein vorteil—
`hafterweise niedrig schmelzendes anorganisches Glas
`(z. B. Silikatglas) eingebettet ist. Eine bevorzugte Her-
`stellungsweise ffir eine derartige Lumineszenzkonver—
`sionsschicht ist die Sol-Gel-Technik, mit der die gesamte
`Lumineszenzkonversionsschicht, d. h. sowohl der anor-
`ganische Leuchtstoff als auch das Einbettmaterial in ei-
`nem Arbeitsgang hergestellt werden kann.
`Um die Durchmischung der von dem Halbleiterkor-
`per ausgesandten Strahlung des ersten Wellenl‘alngenbe»
`reiches mit der lumineszenzkonvertierten Strahlung des
`zweiten Wellenléingenbereiches und damit die Farbkon-
`stanz des abstrahlten Lichtes zu verbessern, ist bei einer
`vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemfiBen
`Halbleiterbauelements
`der Lumineszenzumhfillung
`bzw. der Lumineszenzkonversionsschicht und/oder ei-
`
`ner anderen Komponente der Bauteilumhiillung zusitz-
`lich ein im Blauen lumineszierender Farbstoff hinzuge-
`ffigt, der eine sogenannte Richtcharakteristik der von
`dem Halbleiterkérper abgestrahlten Strahlung ab-
`schwéicht Unter Richtcharakteristik ist zu verstehen,
`daB die von dem Halbleiterkorper ausgesandte Strah-
`lung eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist.
`Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des er-
`findungsgemaBen Halbleiterbauelements ist zu diesem
`Zweck ein pulverfbrmiger anorganischer Leuchtstoff
`verwendet, der sich in dem ihn umhfillenden Stoff (Ma-
`trix) nicht
`lost. AuBerdem weisen der anorganische
`Leuchtstoff und der ihn umhfillende Stoff voneinander
`verschiedene Brechungsindizes auf. Dies ffihrt vorteil—
`hafterweise dazu, daB abhingig von der KorngroBe des
`Leuchtstoffes, ein Anteil des nicht vom Leuchtstoff ab-
`sorbierten Lichtes gestreut wird. Dadurch ist die Richt-
`charakteristik der von dem Halbleiterkorper abge-
`strahlten Strahlung effizient geschwacht, so daB die
`nicht absorbierte Strahlung und die lumineszenzkonver-
`tierte Strahlung homogen gemischt werden, was zu ei-
`nem rfiumlich homogenen Farbeindruck fiihrt. Das ist
`z. B. der Fall, wenn YAG :Ce mit einer KorngréBe von
`4 m— 13 pm in Epoxidharz eingebettet ist
`Ein weiBes Licht abstrahlendes erfindungsgemiiBes
`Halbleiterbauelement lfiBt sich beispielsweise dadurch
`realisieren, daB einem zur Herstellung der Lumines-
`zenzkonversionsumhfillung oder —schicht verwendeten
`Epoxidharz
`der
`anorganische
`Leuchtstoff
`Y2A15012 :Ce3+ beigemischt wird. Ein Teil einer von
`dem Halbleiterkorper ausgesandten blauen Strahlung
`wird
`von
`dem
`anorganischen
`Leuchtstoff
`Y3A15012 :Ce3+ in den gelben Spektralbereich und so-
`mit in einen komplementaren Wellenléingenbereich ver-
`schoben. Der Farbton (Farbort in der CIE-Farbtafel)
`des weiBen Lichts kann dabei durch geeignete Wahl der
`Farbstoffmischung und -konzentration variiert werden.
`Der anorganische Leuchtstoff YAG : Ce hat unter an-
`derem den besonderen Vorteil, daB es sich hierbei um
`nicht lésliche Farbpigmente (TeilchengréBe z. B. 10 pm)
`mit einem Brechungsindex von ca. 1,84 handelt. Dadurch
`tritt neben der Wellenléingenkonversion noch ein Streu-
`effekt auf, der zu einer guten Vermischung von blauer
`Diodenstrahlung und gelber Konverterstrahlung ffihrt.
`Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung eines
`erfindungsgema'Ben Halbleiterbauelements bzw. der
`oben angegebenen vorteilhaften Ausffihrungsformen
`sind dem Lumineszenzkonversionselement oder einer
`
`anderen strahlungsdurchlassigen Kornponente der Bau-
`teilumhfillung zusitzlich lichtstreuende Partikel, soge-
`nannte Diffusoren zugesetzt. Hierdurch laBt sich vor-
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`teilhafterweise der Farbeindruck und die Abstrahlcha—
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`rakteristik des Halbleiterbauelements weiter optimie-
`ren.
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`Von besonderem Vorteil ist, daB die Leuchteffizienz
`von weiBleuchtenden erfindungsgemaBen Halbleiter-
`bauelementen bzw. deren o. g. Ausffihrungsformen mit
`einem im wesentlichen auf der Basis von GaN herge-
`stellten blau leuchtenden Halbleiterkorper gegenfiber
`der Leuchteffizienz einer Glfihbirne erheblich erhoht
`ist Der Grund daffir besteht darin, daB zum einen die
`externe Quantenausbeute derartiger Halbleiterkorper
`bei einigen Prozent liegt und andererseits die Lumines-
`zenzausbeute von anorganischen Leuchtstoffen oft bei
`fiber 90% angesiedelt ist Darfiberhinaus zeichnet sich
`das erfindungsgemaBe Halbleiterbauelement im Ver-
`gleich zur Gliihbirne durch eine extrem lange Lebens-
`dauer, groBere Robustheit und eine kleinere Betriebs-
`spannung aus.
`Vorteilhaft ist weiterhin, daB die ffir das menschliche
`Auge wahmehmbare Helligkeit des erfindungsgemaBen
`Halbleiterbauelements gegenfiber einem ohne Lumi-
`neszenzkonversionselement ausgestatteten, aber sonst
`identischen Halbleiterbauelement deutlich erhoht wer-
`den kann, da die Augenempfindlichkeit zu hoherer Wel-
`lenlfinge hin zunimmt. Es kann darfiberhinaus auch ul-
`traviolettes Licht in sichtbares Licht umgewandelt wer-
`den.
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`Das hier vorgestellte Konzept der Lumineszenzkon-
`version mit blauem Licht eines Halbleiterkérpers léiBt
`sich vorteilhafterweise auch auf mehrstufige Lumines-
`zenzkonversionselemente erweitern, nach dem Schema
`ultraviolett —> blau —> grim ——> gelb —» rot. Hierbei wer-
`den mehrere unterschiedlich spektral selektiv emittie-
`rende Lumineszenzkonversionselemente relativ zum
`Halbleiterkérper hintereinander angeordnet.
`Ebenso konnen vorteilhafterweise mehrere unter-
`schiedlich spektral selektiv emittierende anorganische
`Leuchtstoffe gemeinsam in einen transparenten Kunst-
`stoff eines Lumineszenzkonversionselements eingebet-
`tet sein. Hierdurch ist ein sehr breites Farbenspektrum
`erzeugbar.
`Besonders vorteilhaft kénnen erfindungsgemaBe
`Halbleiterbauelemente gemé'iB der vorliegenden Erfin-
`dung z. B. in vollfarbtauglichen LED-Anzeigevorrich-
`tungen (Displays) oder zu Beleuchtungszwecken in
`Flugzeugen, Kraftfahrzeugen usw. eingesetzt werden.
`Ein besonderer Vorteil von erfindungsgemaBen wei-
`Bes Licht abstrahlenden Halbleiterbauelementen auf
`der Basis Ce-dotierter Phosphore, insbesondere Ce-do-
`tierter Granate Me 2. B. YAG :Ce als Leuchtstoff, be-
`steht darin, daB diese Leuchtstoffe bei Anregung mit
`blauem Licht eine spektrale Verschiebung von ca. 100
`nm zwischen Absorption und Emission bewirkt. Dies
`ffihrt zu einer wesentlichen Reduktion der Reabsorp-
`tion des vom Leuchtstoff emittierten Lichtes und damit
`zu einer h6heren Lichtausbeute. AuBerdem besitzen
`derartige anorganische Leuchtstoffe vorteilhafterweise
`im allgemeinen eine hohe thermische und photochemi-
`sche (z. B. UV-) Stabilitfit (wesentlich h5her als organi-
`sche Leuchtstoffe), so daB auch WeiB leuchtende Di-
`oden ffir AuBenanwendung und/oder hohe Temperatur~
`bereiche herstellbar sind.
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`Besonders vorteilhaft lassen sich erfindungsgemfiBe
`Halbleiterbauelemente insbesondere aufgrund ihrer ge-
`ringen Leistungsaufnahme in vollfarbtauglichen LED-
`Displays, zur Beleuchtung von Kfz-Innenraumen oder
`von Flugzeugkabinen sowie zur Beleuchtung von An-
`zeigevorrichtungen Wie Kfz-Armaturen oder Flfissig-
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`kristallanzeigen verwenden.
`Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmfifiigkeiten
`der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenclen Be-
`schreibung von neun Ausffihrungsbeispielen in Verbin-
`dung mit den Fig. 1 bis 12. Es zeigen:
`Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch ein er-
`stes Ausffihrungsbeispie]
`eines
`erfindungsgemifien
`Halbleiterbauelements;
`Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten
`Ausffihrungsbeispieles eines erfindungsgemiiBen Halb-
`leiterbauelementes;
`Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch ein drit—
`tes Ausfiihrungsbeispiel eines erfindungsgeméfie Halb-
`leiterbauelementes;
`
`Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines vierten
`Ausffihrungsbeispieles eines erfindungsgeméifien Haib-
`leiterbauelements;
`Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines ffinften
`Ausffihrungsbeispieies eines erfindungsgeméBen Halb-
`Ieiterbauelementes;
`Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines sechsten
`Ausffihrungsbeispieles eines erfindungsgeméiBen Halb-
`ieiterbauelementes;
`Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Emissions-
`spektrums eines blaues Licht abstrahlenden Halbleiter-
`kbrpers mit einer Schichtenfolge auf der Basis von
`GaN;
`Fig. 8 eine schematische Darstellung der Emissions-
`spektren von erfindungsgemiiBen Halbleiterbauelemen-
`ten, die weiBes Licht abstrahlen;
`Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung durch ei-
`nen Halbieiterkérper, der blaues Licht aussendet;
`Fig. 10 eine schematische Schnittansicht eines siebten
`Ausffihrungsbeispieles eines erfindungsgemiiBen Halb-
`leiterbauelementes;
`Fig. 11 eine schematische Schnittansicht eines achten
`Ausffihrungsbeispieles eines erfindungsgeméBen Halb-
`leiterbauelementes und
`
`Fig. 12 eine schematische Schnittansicht eines neuri-
`ten Ausffihrungsbeispieles eines erfindungsgeméfien
`Haibleiterbauelementes.
`In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche
`oder gleichwirkende Teile immer mit denselben Bezugs-
`zeichen versehen.
`
`Bei dem in Fig. 1 dargestellten Licht aussendenden
`Halbleiterbaueiemem weist ein Halbleiterk‘o‘rper 1, z. B.
`eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, einen Riicksei-
`tenkontakt 11, einen Vorderseitenkontakt 12 und cine
`sich aus einer Anzahl von unterschiedlichen Schichten
`zusammensetzende Schichtenfolge 7 auf, die mindestens
`eine eine Strahlung (z. B. ultraviolette, blaue oder griine
`Strahlung) aussendende aktive Zone besitzt.
`Ein Beispiel fiir eine geeignete Schichtenfolge 7 fiir
`dieses und fiir sémtliche im iolgenden beschriebenen
`Ausffihrungsbeispiele is: in Fig. 9 gezeigt. Hierbei ist auf
`einem Substrat 18, das z. B. aus SiC besteht, eine Schich—
`tenfolge aus einer AlN- oder GaN-Schicht 19, einer
`n-leitenden GaN—Schicht 20, einer n-leitenden Ga-
`xA11_xN- oder GaxIn1_xN—Schicht 21, einer weiteren
`nleitenden GaN— oder Gaxin1_xN-Schicht 22, einer
`p-leitenden GaxAl1_xN- oder Gaxin1_xN-Schicht 23
`und einer p-leitenden GaN-Schicht 24 aufgebracht. Auf
`einer Hauptfléiche 25 der pleitenden GaN-Schicht 24
`und einer Hauptfléche 26 des Substrats 18 ist jeweils
`eine Kontaktmetallisierung 27, 28 aufgebracht, die aus
`einem herkémmlich in der Halbleitertechnik fiir elektri-
`sche Kontakte verwendeten Werkstoff besteht.
`Es kann jedoch auch jeder andere dem Fachmann fiir
`
`das erfindungsgemiiBe Halbleiterbauelement als geeig-
`net erscheinende Haibleiterkérper verwendet werden.
`Dies gilt ebenso fiir simtliche nachfolgend beschriebe-
`nen Ausffihrungsbeispiele.
`Im Ausfiihrungsbeispiel von Fig. 1 ist der Halbleiter-
`kérper 1 mittels eines elektrisch leitenden Verbindungs-
`mittels, z. B. ein metallisches Lot oder ein Klebstoff, mit
`seinem Riickseitenkontakt 11 auf einem ersten elektri-
`schen AnsehluB 2 befestigt. Der Vorderseitenkontakt 12
`ist mittels eines Bonddrahtes 14 mit einem zweiten eiek—
`trischen AnschiuB 3 verbunden.
`
`Der Halbleiterkérper 1 und Teiibereiche der elektri-
`schen Anschliisse 2 und 3 sind unmittelbar von einer
`
`umschlossen.
`S
`Lumineszenzkonversionsumhfillung
`Diese besteht beispielsweise aus einem fiir transparente
`Leuchtdiodenumhiillungen verwendbaren transparen-
`ten Kunststoff (z. B. Epoxidharz oder Polymethylmetaa-
`crylat) oder einem niedrig schmelzenden anorganischen
`Glas, dem ein anorganischer Leuchtstoff
`6,
`z. B.
`Y3A15012 :Ce3+ (YAG :Ce) ffir ein weiBes Licht ab-
`strahlendes Halbleiterbauelement, beigemischt ist.
`Das in Fig. 2 dargestellte Ausffihrungsbeispiel eines
`erfindungsgemfiBen Halbleiterbauelements unterschei-
`det sich von dem cler Fig. 1 dadurch, daB der Halbleiter-
`kérper 1 und Teilbereiche der elektrischen Anschliisse 2
`und 3 anstatt von einer Lumineszenzkonversionsumhfil-
`
`U:
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`10
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`15
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`20
`
`25
`
`lung von einer transparenten Umhiillung 15 umschlos-
`sen sind. Diese transparente Umhfillung 15 bewirkt kei-
`ne Wellenlfingeninderung einer von dem Halbleiterkér-
`per 1 ausgesandten Strahlung und besteht beispielswei-
`se aus einem in der Leuchtdiodentechnik herkémmiich
`verwendeten Epoxid-, Silikon- oder Acrylatharz oder
`aus einem anderen geeigneten strahlungsdurchlfissigen
`Material wie z. B. anorganisches Glas.
`Auf diese transparente Umhfillung 15 ist eine Lumi-
`neszenzkonversionsschicht 4 aufgebracht, die, wie in der
`Fig. 2 dargestellt, die gesamte Oberfléiche der Umhiil—
`lung 15 bedeckt. Ebenso denkbar ist, daB die Lumines-
`zenzkonversionsschicht 4 nur einen Teilbereich dieser
`Oberfliche bedeckt. Die Lumineszenzkonversions-
`schicht 4 besteht beispielsweise Wiederum aus einem
`transparenten Kunststoff (z. B. Epoxidharz, Lack oder
`Polymethylmetaaerylat) oder aus einem anorganischen
`Glas, der bzw. das mit einem anorganischen Leuchtstoff
`6 versetzt ist. Auch hier eignet sich als Leuchtstoff fiir
`ein weiB leuchtendes Halbleiterbauelement
`z. B.
`YAG :Ce.
`
`Dieses Ausfiihrungsbeispiei hat den besonderen Vor-
`teil, daB fiir die gesamte von dem Halbleiterkérper aus-
`gesandte Strahlung die Wegl'ange durch das Lumines-
`zenzkonverionselement n‘aherungsweise gleich groB ist.
`Dies spieit insbesondere dann eine bedeutende Roile,
`wenn, wie oftmals der Fall, der genaue Farbton des von
`dem Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichtes von
`dieser Wegliinge abhiingt
`Zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der Lumi-
`neszenzkonversionsschicht 4 von Fig. 2 kann auf einer
`Seitenfliche des Bauelements eine linsenférmige Ab-
`deckung 29 (gestrichelt eingezeichnet) vorgesehen sein,
`die eine Totalreflexion der Strahlung innerhalb der Lu-
`mineszenzkonversionsschicht 4 reduziert. Diese {insen-
`
`férmige Abdeckung 29 kann aus transparentem Kunst-
`stoff oder Glas bestehen und auf die Lumineszenzkon-
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`35
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`40
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`45
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`50
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`55
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`60
`
`versionsschicht 4 beispielsweise aufgeklebt oder direkt
`als Bestandteil der Lumineszenzkonversionsschicht 4
`
`65
`
`ausgebildet sein.
`Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausffihrungsbeispiel
`sind der erste und der zweite elektrische AnschluB 2, 3 in
`
`TCL 1018, Page 5
`TCL 1018, Page 5
`
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`

`DE 196 38 667 A1
`
`9
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`10
`
`ein lichtundurchléissiges evtI. vorgefertigtes Grundge-
`hiuse 8 mit einer Ausnehmung 9 eingebettet. Unter
`”vorgefertigt” ist zu verstehen, daB das Grundgehiuse 8
`bereits an den Anschiiissen 2, 3 beispielsweise mittels
`SpritzguB fertig ausgebildet ist, bevor der Halbleiter—
`kérper auf den ersten AnschluB 2 montiert wird. Das
`Grundgehéuse 8 besteht beispielsweise aus einem licht-
`undurchléssigen Kunststoff und die Ausnehmung 9 ist
`als Reflektor 17 (ggf. durch geeignete Beschichtung der
`Innenwénde der Ausnehmung 9) ausgebildet Solche
`Grundgehéiuse 8 werden seit langem insbesondere bei
`oberflfichenmontierbaren Leuchtdioden
`(SMD-TO-
`PLEDs) verwendet und werden daher an dieser Stelle
`nicht mehr nfiher erléiutert. Sie warden vor der Montage
`der Halbleiterkérper auf ein die elektrischen Anschliisse
`2, 3 aufweisendes Leiterband (Leadframe) aufgebracht.
`Die Ausnehmung 9 ist von einer Lumineszenzkonver-
`sionsschicht 4, beispielsweise eine separat hergestellte
`und auf dem Grundgehéiuse 8 befestigte Abdeckplatte
`17 ans Kunststoff, abgedeckt. Als geeignete Materialien
`ffir die Lumineszenzkonversionsschicht 4 kommen wie-
`derum die weiter oben im allgemeinen Teil der Be-
`schreibung genannten Kunststoffe oder anorganisches
`Glas in Verbindung mit den dort genannten anorgani-
`schen Leuchtstoffen in Frage. Die Ausnehmung 9 kann
`sowohl mit einem transparenten Kunststoff, mit einem
`anorganischen Glas oder mit Gas gefiillt als auch mit
`einem Vakuum versehen sein.
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`10
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`15
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`20
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`25
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`Wie bei dem Ausffihrungsbeispiel nach Fig.2 kann
`auch hier zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der
`Lumineszenzkonversionsschicht 4 auf dieser eine lin-
`
`30
`
`senférmige Abdeckung 29 (gestrichelt eingezeichnet)
`vorgesehen sein, die eine Totalreflexion der Strahlung
`innerhalb der Lumineszenzkonversionsschicht 4 redu-
`
`ziert. Diese Abdeckung 29 kann wiederum aus transpa-
`rentem Kunststoff oder aus anorganischem Glas beste-
`hen und auf die Lumineszenzkonversionsschicht 4 bei-
`spielsweise aufgeklebt oder zusammen mit der Lumi-
`neszenzkonversionsschicht 4 einstiickig ausgebildet
`seln.
`
`Ebenso ist es méglich, daB die Ausnehmung 9, wie in
`Fig. 10 gezeigt, mit einem mit einem anorganischen
`Leuchtstoff 6 versehenen Kunststoff oder Glas, d. h. mit
`einer Lumineszenzumhiillung 5 gefiillt ist, die das Lumi-
`neszenzkonversionselement bildet. Eine Abdeckplatte
`17 und/oder eine linsenfbrmige Abdeckung 29 kann
`dann auch weggelassen sein. Weiterhin ist optional, wie
`in Fig. 11 dargestellt, der erste elektrische AnschluB 2
`z. B. durch Prigen im Bereich des Halbleiterkérpers 1
`als Reflektorwanne 34 ausgebildet, die mit einer Lumi-
`neszenzkonversionsumhfillung 5 geffillt ist.
`In Fig. 4 ist als weiteres Ausfiihrungsbeispiel eine so-
`genannte Radialdiode dargestellt. Hierbei ist der Halb-
`leiterkérper 1 in einem als Reflektor ausgebildeten Teil
`16 des ersten elektrischen Anschlusses 2 beispielsweise
`mittels L6ten oder Kleben befestigt. Auch derartige Ge-
`hiusebauformen sind aus der Leuchtdiodentechnik
`wohlbekannt und bediirfen von daher keiner nfiheren
`Erliuterung.
`Bei dem Ausffihrungsbeispiel von Fig. 4 ist der Halb-
`leiterkérper 1 von einer transparenten Urnhiillung 15
`umgeben, die wie beim zweitgenannten Ausffihrungs-
`beispiel (Fig. 2) keine Wellenlingenéinderung der von
`dem Halbleiterkérper 1 aus