ET
`BUNDESREPUBLIK @ Offenlegungsschrift
`© Int. cis:
`
`peurschiand@DE 19638667 A 1 cura
`
`@ Aktenzeichen:
`@) Anmeldetag:
`@ Offenlegungstag:
`
`196 38 667.5
`20. 9.96
`2. 4.98
`
`DEUTSCHES
`
`PATENTAMT
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`DE19638667A1
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`
`@ Erfinder:
`@ Anmelder:
`Schiotter, Peter, Dr., 79112 Freiburg, DE; Schmidt,
`Siemens AG, 80333 Miinchen, DE
`Rolf, 79279 Vérstetten, DE; Schneider, Jiirgen, Dr.,
`79199 Kirchzarten, DE
`
`
`
`
`
`
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`Entgegenhaltungen:
`DE
`33 15675 C2
`DE
`38 04 293 Al
`DE-OS
`2059909
`Abstract zu JP 07 176 794 A;
`
`sAppl.Phys.Lett.« 69 (12. Aug. 1996) 898-900;
`(4, 5) weist einen anorganischen Leuchtstoff (6) auf.
`
`Priifungsantrag gem. § 44 PatG ist gestellt
`® Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement
`@ Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement
`mit einem Strahlung aussandenden Halbleiterkdrper (1) und
`einem Lumineszenzkonversionselement (4, 5). Der Halbiei-
`terkGrper (1) sendet Strahlung mit einer Welloniange 4 s
`520 nm und das Lumineszenzkonversionselement
`(4, 5)
`wandelt ainen Teil dieser Strahlung in Strahlung mit einer
`grd8eren Wellenlange um. Dadurch lassen sich Leuchtdi-
`odenherstellan, die mischfarbiges Licht, insbesondere wei-
`Bes Licht abstrahlen. Das Lumineszenzkonversionseiement
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`DE19638667Ail
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`Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen
`BUNDESDRUCKERE! 02.98 802 014/138
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`Beschreibung
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`Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs-
`gemaBen Halbleiterbauelements besteht das Lumines-
`zenzkonversionselement zumindest teilweise aus einem
`transparenten Epoxidharz, das mit dem anorganischen
`Leuchtstoff versehenist. Vorteilhafterweise lassen sich
`namlich
`anorganische Leuchtstoffe
`insbesondere
`Phosphore wie z.B. YAG :Ce (Y3Als012 :Ce?*), auf
`einfache Weise in Epoxidharz einbinden. Weiterhin als
`Leuchtstoffe geeignet sind weitere mit Seltenen Erden
`dotierte Granate
`wie
`2B. Y3Ga;O,.:Ce%*,
`Y(Al,Ga)sO12 :Ce?* und Y(Al,Ga)sO12:Tb3+ sowie
`mit Seltenen Erden dotierte Erdalkali-Sulfide wie z. B.
`SrS:Ce*,
`Na,
`SrS:Ce’+,
`Cl
`srs :CeCl;,
`CaS :Ce** + und SrSe : Ce3+,
`Zur Erzeugung von mischfarbigem Licht eignen sich
`dariiberhinaus mit Seltenen Erden dotierte Thiogallate
`wie z. B. CaGa2Sq : Ce?* und SrGagS, : Ce?+ sowie mit
`Seltenen Erden dotierte Aluminate wie z.B. YA-
`103 :Ce3*+, YGaO3 : Ce?*, Y(AlGa)O3 :Ce?* und mit
`Seltenen Erden dotierte Orthosilikate M2SiOs; :Ce?*+
`(M: Sc, Y, Sc) wie z. B. Y2SiOs : Ce3*. Beiallen Yttrium-
`verbindungen kann das Yttrium im Prinzip auch durch
`Scandium oder Lanthanersetzt werden.
`Ebenso kann vorteilhafterweise bei dem erfindungs-
`gem&Ben Halbleiterbauelement auch eine Anzahl (einer
`oder mehrere) von aus dem ersten Wellenlangenbereich
`stammenden ersten spektralen Teilbereichen in mehre-
`re zweite Wellenlangenbereiche umgewandelt werden.
`Dadurch ist es vorteilhafterweise mdglich, vielfaltige
`Farbmischungen und Farbtemperaturen zu erzeugen.
`Das erfindungsgem4Be Halbleiterbauelementhat den
`besonderen Vorteil, da8 das iiber Lumineszenkonver-
`sion erzeugte Wellenlangenspektrum und damit die
`Farbe des abgestrahlten Lichtes nicht von der Héhe der
`Betriebsstromstarke durch den Halbleiterkérper ab-
`hangt. Dies ist insbesondere dann von groBer Bedeu-
`tung, wenn die Umgebungstemperatur des Halbleiter-
`bauelementes und damit bekanntermaBen auchdie Be-
`triebsstromstarke stark schwankt. Besonders Leuchtdi-
`oden mit einem Halbleiterkérper auf der Basis von GaN
`sind diesbeztiglich sehr empfindlich.
`AuBerdem bendtigt das erfindungsgemaBe Halblei-
`terbauelement im Gegensatz zu den eingangs genann-
`ten Multi-LEDsnureine einzige Ansteuerspannung und
`damit auch nur eine einzige Ansteverschaltungsanord-
`nung, wodurch der Bauteileaufwand sehr gering gehal-
`ten werden kann.
`Bei einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsform
`der Erfindungist als Lumineszenzkonversionselement
`liber oder auf dem Halbleiterkérpereineteiltransparen-
`te, d.h. eine fiir die von dem Strahlung aussendenden
`Halbleiterkorper ausgesandte Strahlungteilweise trans-
`parente Lumineszenzkonversionsschicht vorgesehen.
`Umeine einheitliche Farbe des abgestrahiten Lichtes
`sicherzustellen, ist vorteilhafterweise die Lumineszenz-
`konversionsschicht derart ausgebildet, daB sie durch-
`weg eine konstante Dicke aufweist. Ein besonderer Vor-
`teil eines erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements
`gemaB dieser Weiterbildung besteht darin, da8 auf ein-
`fache Weise eine hohe Reproduzierbarkeit erzielt wer-
`den kann, wasfiir eine effiziente Massenfertigung von
`wesentlicher Bedeutung ist. Als Lumineszenzkonver-
`sionsschicht kann beispielsweise eine mit anorgani-
`schem Leuchtstoff versetzte Lack- oder Kunstharz-
`schicht vorgesehensein.
`Eine andere bevorzugte Ausfiihrungsform deserfin-
`dungsgemaBen Halbleiterbauelementes weist als Lumi-
`nenzkonversionselement eine teiltransparente Lumi-
`
`Die Erfindung beziehtsich auf ein mischfarbiges, ins-
`besondere weiBes Licht abstrahlendes Halbleiterbau-
`element.
`In vielen potentiellen Anwendungsgebieten fiir
`Leuchtdioden, wie zum Beispiel bei Anzeigeelementen
`im Kfz-Armaturenbrett, Beleuchtung in Flugzeugen
`und Autos und bei vollfarbtauglichen LED-Displays,
`tritt verstarkt die Forderung nach Leuchtdiodenanord-
`nungen auf, mit denen sich mischfarbiges Licht, insbe-
`sondere weiBes Licht erzeugen 14Bt. Bisher la8t sich
`weiBes "LED”-Licht nur mit sogenannten Multi-LEDs
`erzeugen, bei denen drei verschiedenfarbige Leuchtdi-
`oden(i.a. eine rote, eine griine und eine blaue) oder zwei
`komplementarfarbige Leuchtdioden (z.B. eine blaue
`und eine gelbe) verwendet werden. Neben einem erhéh-
`ten Montageaufwandsindfiir solche Multi-LEDs auch
`aufwendige Ansteuerelektroniken erforderlich, da die
`verschiedenen Diodentypen unterschiedliche Ansteuer-
`spannungen benStigen. AuBerdem wird die Langzeitsta-
`bilitat hinsichtlich Wellenlange und Intensitat durch un-
`terschiedliche Alterungserscheinungen der verschiede-
`nen Leuchtdioden und auch aufgrund der unterschiedli-
`chen Ansteuerspannungen und den darausresultieren-
`den unterschiedlichen Betriebsstrémen beeintrachtigt.
`Ein zusatzlicher Nachteil der Multi-LEDsbesteht darin,
`da8 die Bauteilminiaturisierung stark begrenztist.
`Die Aufgabeder vorliegenden Erfindung besteht dar-
`in, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten
`Art zu entwickeln, mit dem auf technisch einfache Wei-
`se, mit einem méglichst geringen Bauteileaufwand,
`mischfarbiges Licht, insbesondere weiBes Licht erzeugt
`werden kann.
`Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement
`nach Anspruch 1 geldst. Vorteilhafte Weiterbildungen
`der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspriiche 2
`bis 30. Die Unteranspriiche 31 bis 34 geben bevorzugte
`Verwendungsméglichkeiten des
`erfindungsgem&8en
`Halbleiterbauelements an.
`Erfindungsgem4B ist ein Strahlung aussendender
`Halbleiterkérper, mit mindestens einem ersten und min-
`destens einem zweiten mit dem Halbleiterkérperelek-
`trisch leitend verbundenen elektrischen Anschlu8 vor-
`gesehen, dem ein Lumineszenzkonversionselement zu-
`geordnetist. Der Halbleiterkérper weist eine Schichten-
`folge auf, die eine elektromagnetische Strahlung mit
`Wellenliéngen 4 < 520 nm aussendet. Sie weist insbe-
`sondere eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht
`aus GaxInj-xN oder GayAli -N auf. Das Lumineszenz-
`konversionselement wandelt Strahlung eines ersten
`spektralen Teilbereiches der von dem Halbleiterkérper
`ausgesandten, aus einem ersten Wellenlangenbereich
`stammendenStrahlungin Strahlungeines zweiten Wel-
`lenlangenbereiches um, derart, daB das Halbleiterbau-
`element Strahlung aus mindestens einem zweiten spek-
`tralen Teilbereich des ersten Wellenlangenbereiches
`und Strahlung des zweiten Wellenlangenbereiches aus-
`sendet. Das Lumineszenzkonversionselement ist dazu
`mit mindestens einem anorganischen Leuchtstoff, insbe-
`sondere mit einem Phosphorversehen. Das hei8t zum
`Beispiel, daB das Lumineszenzkonversionselement ei-
`nen Teil einer vom Halbleiterkérper ausgesandten
`Strahlung spektral selektiv absorbiert und im langer-
`welligen Bereich (im zweiten Wellenlangenbereich)
`emittiert. Idealerweise weist die von dem Halbleiterkér-
`per ausgesandte Strahlung bei einer Wellenlinge 4 <
`520 nm ein Intensitatsmaximum auf.
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`der Oberflache des Halbieiterkérpers von einer ersten,
`neszenzkonversionsumhiiliung auf, die zumindest einen
`z.B. aus einem Kunststoff bestehenden transparenten
`Teil des Halbieiterkorpers (und evil. Teilbereiche der
`Umhiillung umgeben, auf der die Lumineszenzkonver-
`elektrischen Anschitisse) umschlieBt undgleichzeitig als
`sionsschicht aufgebracht ist. Dadurch wird die Strah-
`Bauteilumhiillung (Gehduse) genutzt sein kann. Der
`lungsdichte im Lumineszenzkonversionselement und
`Vorteil eines Halbleiterbauelements gemaB dieser Aus-
`somit dessen Strahlungsbelastung verringert, was sich je
`fiihrungsform besteht im wesentlichen darin, daB zu sei-
`nach verwendeten Materialien positiv auf die Lebens-
`ner Herstellung konventionelle, fiir die Herstellung von
`dauer des Lumineszenzkonversionselementes auswirkt.
`herkémmlichen Leuchtdioden (z.B. Radial-Leuchtdi-
`Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der
`oden) eingesetzte Produktionslinien genutzt werden
`Erfindung sowie der oben genannten Ausfithrungsfor-
`kénnen. Fiir die Bauteilumhiillung ist anstelle des bei
`men ist ein Haibleiterkérper, z.B. eine Leuchtdiode
`herkémmilichen Leuchidioden dafiir verwendeten trans-
`oder eine Laserdiode verwendet, bei dem das ausge-
`parenten Kunststoffes das Material der Lumineszenz-
`sandte Strahlungsspektrum bei einer Wellenlange zwi-
`konversionsumhiillung verwendet.
`schen 420nm und 460 nm, insbesondere bei 430 nm (z. B.
`Bei vorteilhaften Ausfiihrungsformen des erfindungs-
`Halbleiterkérper auf der Basis von Ga,Ali_xN) oder
`gemaBen Halbleiterbauelements und der beiden oben
`450 nm (z. B. Halbleiterkérper auf der Basis von Ga-
`genannten bevorzugten Ausfiihrungsformen besteht die
`xlnj -xN)ein Intenitétsmaximum. Mit einem derartigen
`Lumineszenzkonversionsschicht bzw. die Lumineszenz-
`erfindungsgema8en Halbleiterbauelement lassen sich
`konversionsumhillung aus einem transparenten Mate-
`vorteilhafterweise nahezu samtliche Farben und Misch-
`rial (z.B. Kunststoff (wie Epoxidharz)), das mit minde-
`stens einem anorganischen Farbstoff versehenist (Bei-
`farben der CLE. -Farbtafel erzeugen.
`Bei einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbil-
`spiele fiir geeignete Kunststoffe finden sich weiter un-
`dung der Erfindung und deren Ausfiihrungsiormenist
`ten). Auf diese Weise lassen sich Lumineszenzkonver-
`sionselemente besonders kostengiinstig herstelien. Die
`die Lumineszenzkonversionsumhiillung bzw. die Lumi-
`neszenzkonversionsschicht aus einem Lack oderausei-
`dazu notwendigen Verfahrensschritte sind namlich ohne
`nem Kunststoff, wie beispielsweise die fiir die Umbhiil-
`groBen Aufwandin herkémmliche Produktionslinien ftir
`lung optoelektronischer Bauelemente eingesetztenSili-
`Leuchtdioden integrierbar.
`kon-, Thermoplast- oder Duroplastmaterialien (Epoxid-
`Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der
`u. Acrylatharze) hergestellt. Desweiteren kénnen z.B.
`Erfindung bzw. der o. g. Ausfiihrungsformen ist vorge-
`aus Thermoplastmaterialien gefertigte Abdeckelemente
`sehen, daB der oder die zweiten Welienlingenbereiche
`als Lumineszenzkonversionsschicht eingesetzt
`sein.
`zumindest teilweise gréBere Wellenlangen aufweisen
`Samtliche oben genannten Materialien lassen sich auf
`als der erste Wellenlangenbereich.
`einfache Weise mit einem oder mehreren anorganischen
`Insbesondereist vorgesehen, da8 ein zweiter spektra-
`Leuchistoffen versetzen.
`ler Teilbereich des ersten Wellenlangenbereiches und
`Besonders einfach laBt sich ein erfindungsgeméBes
`ein zweiter Wellenlangenbereich zueinander komple-
`Halbleiterbauelement vorteilhafterweise dann realisie-
`mentar sind. Auf diese Weise kann aus einer einzigen
`ren, wenn der Halbleiterkérper gem4B einer bevorzug-
`farbigen Lichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode
`ten Weiterbildung in einer Ausnehmungeines gegebe-
`mit einem einzigen blaues oder griines Licht abstrahlen-
`nenfalls vorgefertigten Gehauses angeordnetist und die
`den Halbleiterkérper, mischfarbiges, insbesondere wei-
`Ausnehmung mit einem die Lumineszenzkonversions-
`Bes Licht erzeugt werden. Um z.B. mit einem blaues
`schicht aufweisenden Abdeckelement versehen ist. Hin
`Licht aussendenden Halbleiterkérper weiBes Licht zu
`derartiges Halbleiterbauelement 14Bt sich in groBer
`erzeugen, wird ein Teil des von dem Halbleiterkérper
`Stiickzahl in herkémmlichen Produktionslinien herstel-
`ausgesandten Spekiralbereiches in einen gelben Spek-
`len. Hierzu muBlediglich nach der Montage des Halblei-
`tralbereich konvertiert. Die Farbtemperatur des weiBen
`terkérpers in das Gehause, das Abdeckelement, bei-
`Lichtes kann dabei durch geeignete Wahi des anorgani-
`45
`spielsweise eine Lack- oder GieBharzschicht oder eine
`schen Leuchtstoffes und geeignete Gestaltung des Lu-
`vorgefertigte Abdeckplatte aus Thermoplastmaterial,
`
`mineszenzkonversionselements (z.B._hinsichtlich
`auf das Gehause aufgebracht werden. Optional kann die
`Schichidicke und Leuchistoffkonzentration}, variiert
`Ausnehmung des Gehauses mit einem transparenten
`werden. Dariiberhinaus bieten diese Anordnungen vor-
`Material, beispielsweise einem transparenten Kunst-
`teilhafterweise auch die Méglichkeit, Leuchtstoffmi-
`stoff, gefiillt sein, das z. B. die Wellenlange des von dem
`schungen einzusetzen, wodurch sich vorteilhafterweise
`Halbleiterkérper ausgesandten Lichtes nicht verandert
`der gewiinschte Farbton sehr genaueinstellen laBt.
`oder aber, falls gewiinscht, bereits jumineszenzkonver-
`Ebenso kénnen Lumineszenzkonversionselemente
`tierend ausgebildet sein kann. Im letztgenannten Fall
`inhomogen ausgestaltet sein, z. B. mittels einer inhomo-
`kann das Abdeckelement auch weggelassen sein.
`genen Leuchtstoffverteilung. Unterschiedliche Weglan-
`Vorteilhafte Materialien zur Herstellung der o. g. Lu-
`gen des Lichtes durch das Lumineszenzkonversionsele-
`mineszenzkonversionsschicht bzw. Lumineszenzkon-
`ment kénnen dadurch vorteilhafterweise kompensiert
`versionsumhiillung sind z.B. Polymethylmetacrylat
`werden.
`(PMMA)oder Epoxidharz dem ein oder mehrere anor-
`Bei einer weiteren bevorzugten Ausfithrungsform des
`ganische Leuchistoffe zugesetzt sind.
`erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements weist das
`Bei einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsform
`Lumineszenzkonversionselement oder ein anderer Be-
`des erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements beste-
`standteil einer Bauteilumhiillung zur Farbanpassungei-
`hen zumindest alle lichtdurchstrahiten Komponenten
`nen oder mehrere Farbstoffe auf, die keine Welienlan-
`der Umhiilung, d. h. auch die Lumineszenzkonversions-
`genkonversion bewirken. Hierzu kénnen die fiir die
`umhiillung bzw. -schicht aus rein anorganischen Mate-
`Hersteliung von herké6mmlichen Leuchtdioden verwen-
`rialien. Das Lumineszenzkonversionselement besteht
`deten Farbstoffe wie z. B. Azo-, Anthrachinon- oder Pe-
`somit aus einem anorganischen Leuchtsioff, der in ei-
`rinon-Farbstoffe wie herkémmiich eingesetzt werden.
`nem temperaturstabilen, transparenten oder teiltrans-
`Bei einer vorteilhaften Weiterbiidung des erfindungs-
`gemaBen Halbleiterbauelements ist zumindest ein Teil
`parenten anorganischen Material eingebettetist. Insbe-
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`teilhafterweise der Farbeindruck und die Abstrahlcha-
`rakteristik des Halbleiterbauelements weiter optimie-
`ren.
`
`sondere besteht das Lumineszenzkonversionselement
`aus einem anorganischen Phosphor, der in ein vorteil-
`hafterweise niedrig schmelzendes anorganisches Glas
`(z. B. Silikatglas) eingebettet ist. Eine bevorzugte Her-
`Von besonderem Vorteil ist, da8 die Leuchteffizienz
`stellungsweise fiir eine derartige Lumineszenzkonver-
`von weiBleuchtenden erfindungsgem4Ben Halbleiter-
`sionsschichtist die Sol-Gel-Technik, mit der die gesamte
`bauelementen bzw. deren o. g. Ausfiihrungsformen mit
`Lumineszenzkonversionsschicht, d. h. sowohl der anor-
`einem im wesentlichen auf der Basis von GaN herge-
`ganische Leuchtstoff als auch das Einbettmaterialin ei-
`stellten blau leuchtenden Halbleiterkérper gegentiber
`nem Arbeitsgang hergestellt werden kann.
`der Leuchteffizienz einer Glithbirne erheblich erhéht
`Um die Durchmischung der von dem Halbleiterkér-
`ist. Der Grund daftir besteht darin, daB zum einen die
`per ausgesandten Strahlung des ersten Wellenlangenbe-
`externe Quantenausbeute derartiger Halbleiterkérper
`reiches mit der lumineszenzkonvertierten Strahlung des
`bei einigen Prozentliegt und andererseits die Lumines-
`zweiten Wellenlangenbereiches und damit die Farbkon-
`zenzausbeute von anorganischen Leuchtstoffen oft bei
`stanz des abstrahiten Lichtes zu verbessern,ist bei einer
`tiber 90% angesiedelt ist. Dariiberhinaus zeichnetsich
`vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemaBen
`das erfindungsgemaBe Halbleiterbauelement im Ver-
`Halbleiterbauelements
`der Lumineszenzumhiillung
`gleich zur Gliihbirne durch eine extrem lange Lebens-
`bzw. der Lumineszenzkonversionsschicht und/oderei-
`dauer, gréBere Robustheit und eine kleinere Betriebs-
`ner anderen Komponente der Bauteilumhiillung zusatz-
`spannung aus.
`lich ein im Blauen lumineszierender Farbstoff hinzuge-
`Vorteilhaft ist weiterhin, daB die fir das menschliche
`fiigt, der eine sogenannte Richtcharakteristik der von
`Auge wahrnehmbare Helligkeit des erfindungsgemaBen
`dem Halbleiterkérper abgestrahlten Strahlung ab-
`Halbleiterbauelements gegeniiber einem ohne Lumi-
`schwacht. Unter Richtcharakteristik ist zu verstehen,
`neszenzkonversionselement ausgestatteten, aber sonst
`daB die von dem Halbleiterkérper ausgesandte Strah-
`identischen Halbleiterbauelement deutlich erhéht wer-
`lung eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist.
`den kann, da die Augenempfindlichkeit zu héherer Wel-
`Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des er-
`lenlange hin zunimmt. Es kann dartiberhinaus auch ul-
`findungsgemaBen Halbleiterbauelements ist zu diesem
`traviolettes Licht in sichtbares Licht umgewandelt wer-
`den.
`Zweck ein pulverférmiger anorganischer Leuchtstoff
`verwendet, der sich in dem ihn umhiillenden Stoff (Ma-
`Das hier vorgestellte Konzept der Lumineszenzkon-
`trix) nicht
`lést. AuBerdem weisen der anorganische
`version mit blauem Licht eines Halbleiterkérpers 14Bt
`Leuchtstoff und der ihn umhiillende Stoff voneinander
`sich vorteilhafterweise auch auf mehrstufige Lumines-
`verschiedene Brechungsindizes auf. Dies fiihrt vorteil-
`zenzkonversionselemente erweitern, nach dem Schema
`hafterweise dazu, daB abhangig von der KorngréBe des
`ultraviolett — blau —» griin > gelb — rot. Hierbei wer-
`Leuchtstoffes, ein Anteil des nicht vom Leuchtstoff ab-
`den mehrere unterschiedlich spektral selektiv emittie-
`sorbierten Lichtes gestreut wird. Dadurchist die Richt-
`rende Lumineszenzkonversionselemente relativ zum
`charakteristik der von dem Halbleiterkérper abge-
`Halbleiterkérper hintereinander angeordnet.
`strahlten Strahlung effizient geschwacht, so daB die
`Ebenso kénnen vorteilhafterweise mehrere unter-
`nicht absorbierte Strahlung und die lumineszenzkonver-
`schiedlich spektral selektiv emittierende anorganische
`tierte Strahlung homogen gemischt werden, waszuei-
`Leuchtstoffe gemeinsam in einen transparenten Kunst-
`nem raumlich homogenen Farbeindruck fihrt. Das ist
`stoff eines Lumineszenzkonversionselements eingebet-
`z. B. der Fall, wenn YAG : Ce mit einer Korngré8e von
`tet sein. Hierdurch ist ein sehr breites Farbenspektrum
`4 um—13 ym in Epoxidharz eingebettetist.
`erzeugbar.
`Ein wei8es Licht abstrahlendes erfindungsgemaBes
`Besonders vorteilhaft kénnen erfindungsgem&B8e
`Halbleiterbauelement 14Bt sich beispielsweise dadurch
`Halbleiterbauelemente gem&B der vorliegenden Erfin-
`realisieren, daB einem zur Herstellung der Lumines-
`dung z.B. in vollfarbtauglichen LED-Anzeigevorrich-
`zenzkonversionsumhiillung oder -schicht verwendeten
`tungen (Displays) oder zu Beleuchtungszwecken in
`Epoxidharz
`der
`anorganische
`Leuchtstoff
`Flugzeugen, Kraftfahrzeugen usw. eingesetzt werden.
`YoAlsO;2 Ce? + beigemischt wird. Ein Teil einer von
`Ein besonderer Vorteil von erfindungsgemaBen wei-
`dem Halbleiterkérper ausgesandten blauen Strahlung
`Bes Licht abstrahlenden Halbleiterbauelementen auf
`
`
`
`wird dem_anorganischenvon Leuchtstoff
`der Basis Ce-dotierter Phosphore, insbesondere Ce-do-
`Y3AlsQ12 :Ce?* in den gelben Spektralbereich und so-
`wno
`tierter Granate wie z.B. YAG :Ceals Leuchtstoff, be-
`mit in einen komplementéren Wellenlangenbereichver-
`steht darin, daB diese Leuchtstoffe bei Anregung mit
`schoben. Der Farbton (Farbort in der CIE-Farbtafel)
`blauem Licht eine spektrale Verschiebung von ca. 100
`des weiBen Lichts kann dabei durch geeignete Wahl der
`nm zwischen Absorption und Emission bewirkt. Dies
`Farbstoffmischung und -konzentration variiert werden.
`fiihrt zu einer wesentlichen Reduktion der Reabsorp-
`tion des vom Leuchtstoff emittierten Lichtes und damit
`Der anorganische Leuchtstoff YAG : Ce hat unteran-
`derem den besonderen Vorteil, da8 es sich hierbei um
`zu einer héheren Lichtausbeute. AuBerdem besitzen
`nicht lésliche Farbpigmente (TeilchengréBez. B. 10 um)
`derartige anorganische Leuchtstoffe vorteilhafterweise
`im allgemeinen eine hohe thermische und photochemi-
`mit einem Brechungsindex vonca. 1,84 handelt. Dadurch
`tritt neben der Wellenlangenkonversion nochein Streu-
`sche (z. B. UV-) Stabilitét (wesentlich hdherals organi-
`sche Leuchtstoffe), so daB auch WeiB leuchtende Di-
`effekt auf, der zu einer guten Vermischung von blauer
`Diodenstrahlung und gelber Konverterstrahlung fihrt.
`oden fiir AuBenanwendung und/oder hohe Temperatur-
`bereiche herstellbarsind.
`Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung eines
`erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements bzw. der
`Besonders vorteilhaft lassen sich erfindungsgemaBe
`oben angegebenen vorteilhaften Ausfiihrungsformen
`Halbleiterbauelemente insbesondere aufgrund ihrer ge-
`sind dem Lumineszenzkonversionselement oder einer
`ringen Leistungsaufnahmein vollfarbtauglichen LED-
`Displays, zur Beleuchtung von Kfz-Innenréumen oder
`anderen strahlungsdurchlassigen Komponente der Bau-
`von Flugzeugkabinen sowie zur Beleuchtung von An-
`teilumhiillung zus&tzlich lichtstreuende Partikel, soge-
`zeigevorrichtungen wie Kfz-Armaturen oder Fltissig-
`nannte Diffusoren zugesetzt. Hierdurch 1&8: sich vor-
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`kristallanzeigen verwenden.
`Weitere Merkmale, Vorteile und ZweckmaBigkeiten
`der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be-
`schreibung von neun Ausfiihrungsbeispielen in Verbin-
`dung mit den Fig. 1 bis 12. Es zeigen:
`Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch ein er-
`stes Ausfithrungsbeispiel
`eines
`erfindungsgema8en
`Halbleiterbauelements;
`Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgem&Ben Halb-
`leiterbauelementes;
`Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch ein drit-
`tes Ausfiihrungsbeispie! eines erfindungsgeméBe Halb-
`leiterbauelementes;
`Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines vierten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemaBen Halb-
`leiterbauelements;
`Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines flinften
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemaBen Halb-
`leiterbauelemenies;
`Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines sechsten
`Ausfithrungsbeispieles eines erfindungsgemaBen Halb-
`leiterbauelementes;
`Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Emissions-
`spektrumseines biaues Licht abstrahlenden Halbleiter-
`kérpers mit einer Schichtenfolge auf der Basis von
`GaN;
`Fig. 8 eine schematische Darstellung der Emissions-
`spektren von erfindungsgem4Ben Halbleiterbauelemen-
`ten, die weiBes Licht abstrahlen;
`Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung durch ei-
`nen Halbleiterkorper, der blaues Licht aussendet;
`Fig. 10 eine schematische Schnittansicht eines siebten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemaBen Halb-
`leiterbauelementes;
`Fig. 11 eine schematische Schnittansicht eines achten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemaBen Halb-
`leiterbauelementes und
`Fig. 12 eine schematische Schnittansicht eines neun-
`ten Ausfithrungsbeispieles eines erfindungsgemaBen
`Halbieiterbauelementes.
`In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche
`odergleichwirkende Teile immer mit denselben Bezugs-
`zeichen versehen.
`Bei dem in Fig. 1 dargestellten Licht aussendenden
`Halbleiterbauelement weist ein Halbleiterkérper1,z. B.
`eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, einen Riicksel-
`tenkontakt 11, einen Vorderseitenkontakt 12 und eine
`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 samtliche im folgenden beschriebenen
`Ausfiihrungsbeispiele ist in Fig. 9 gezeigt. Hierbelist auf
`einem Substrat 18, das z. B. aus SiC besteht, eine Schich-
`tenfolge aus einer AIN- oder GaN-Schicht 19, einer
`n-leitenden GaN-Schicht 20, einer n-leitenden Ga-
`xAlj-xN- oder GaxIni_,N-Schicht 21, emer weiteren
`nleitenden GaN- oder Ga,Jnj-xN-Schicht 22, einer
`p-leitenden GayAli_xN- oder Ga,In}-xN-Schicht 23
`und einer p-leitenden GaN-Schicht 24 aufgebracht. Auf
`einer Hauptflache 25 der pleitenden GaN-Schicht 24
`und einer Hauptilache 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 Fachmannfiir
`
`das erfindungsgem4Be Halbleiterbauelementals geeig-
`net erscheinende Halbleiterkérper verwendet werden.
`Dies gilt ebenso fiir samtliche nachfolgend beschriebe-
`nen Ausfiihrungsbeispiele.
`Im Ausfithrungsbeispiel von Fig. 1 ist der Halbleiter-
`kdrper1 mittels eines elektrisch leitenden Verbindungs-
`mittels, z. B, ein metallisches Lot oder ein Klebstoff, mit
`seinem Riickseitenkontakt 11 auf einem ersten elektri-
`schen AnschluB 2 befestigt. Der Vorderseitenkontakt 12
`ist mittels eines Bonddrahtes 14 mit einem zweiten elek-
`trischen Anschiu8 3 verbunden.
`Der Halbleiterkérper 1 und Teilbereiche der elektri-
`schen Anschltisse 2 und 3 sind unmittelbar von einer
`Lumineszenzkonversionsumhillung
`5
`umschlossen.
`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.
`YsAlsO12 :Ce®+ (YAG : Ce) fiir ein weiBes Licht ab-
`strahlendes Halbleiterbauelement, beigemischtist.
`Dasin Fig. 2 dargestellte Ausfiihrungsbeispiel eines
`erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements unterschei-
`det sich von dem der Fig. 1 dadurch, daB der Halbleiter-
`kérper 1 und Teilbereiche der elektrischen Anschiiisse 2
`und 3 anstatt von einer Lumineszenzkonversionsumhiil-
`lung von einer transparenten Umhiillung 15 umschlos-
`sen sind. Diese transparente Umhiillung 15 bewirkt kei-
`ne Wellenlangendnderung einer von dem Halbleiterkér-
`per 1 ausgesandten Strahlung und bestehtbeispielswei-
`se aus einem in der Leuchtdiodentechnik herkémmiich
`verwendeten Epoxid-, Silikon- oder Acrylatharz oder
`aus einem anderen geeigneten strahlungsdurchlassigen
`Material wie z. B. anorganisches Glas.
`Auf diese transparente Umhiillung 15 ist eine Lumi-
`neszenzkonversionsschicht 4 aufgebracht, die, wie in der
`Fig. 2 dargestellt, die gesamte Oberflache der Umhiil-
`lung 15 bedeckt. Ebenso denkbarist, daB die Lumines-
`zenzkonversionsschicht 4 nur einen Teilbereich dieser
`Oberflache bedeckt. Die Lumineszenzkonversions-
`schicht 4 besteht beispielsweise wiederum aus einem
`transparenten Kunststoff (z. B. Epoxidharz, Lack oder
`Polymethylmetaacrylat) oder aus einem anorganischen
`Glas, der bzw. das mit einem anorganischen Leuchtstoff
`6 verseizt ist. Auch hier eignet sich als Leuchtstoff fiir
`ein weiS leuchiendes Halbleiterbauelement
`z.B.
`YAG :Ce.
`Dieses Ausiiihrungsbeispie! hat den besonderen Vor-
`teil, daB fiir die gesamte von dem Halbleiterkérper aus-
`gesandte Strahlung die Weglange durch das Lumines-
`zenzkonverionselement néherungsweise gleich groBist.
`Dies spielt insbesondere dann eine bedeutende Rolle,
`wenn, wie oftmals der Fall, der genaue Farbton des von
`dem Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichtes von
`dieser Weglange abhdngt.
`Zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der Lumi-
`neszenzkonversionsschicht 4 von Fig. 2 kann auf einer
`Seitenflache des Bauelements eine linsenférmige Ab-
`deckung 29 (gestrichelt eingezeichnet) vorgesehen sein,
`die eine Totalreflexion der Strahlung innerhalb der Lu-
`mineszenzkonversionsschicht 4 reduziert. Diese linsen-
`formige Abdeckung 29 kann aus transparentem Kunst-
`stoff oder Glas bestehen und auf die Lumineszenzkon-
`versionsschicht 4 beispielsweise aufgeklebt oder direkt
`als Bestandteil der Lumineszenzkonversionsschichi 4
`ausgebildet sein.
`Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfiihrungsbeispiel
`sind der erste und der zweite elektrische AnschluB2, 3 in
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`TCL 1018, Page 5
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`DE 196 38 667 Al
`
`ein lichtundurchldssiges evtl. vorgefertigtes Grundge-
`hause 8 mit einer Ausnchmung 9 eingebettet. Unter
`"vorgefertigt” ist zu verstehen, daB das Grundgehiuse 8
`bereits an den Anschliissen 2, 3 beispielsweise mittels
`SpritzguB fertig ausgebildet ist, bevor der Halbleiter-
`kérper auf den ersten Anschlu8 2 montiert wird. Das
`Grundgehause 8 besteht beispielsweise aus einem licht-
`undurchléssigen Kunststoff und die Ausnehmung9 ist
`als Reflektor 17 (ggf. durch geeignete Beschichtung der
`Innenwande der Ausnehmung 9) ausgebildet. Solche
`Grundgehause 8 werden seit langem insbesondere bei
`oberflachenmontierbaren Leuchtdioden
`(SMD-TO-
`PLEDs) verwendet und werden daheran dieser Stelle
`nicht mehr néhererlautert. Sie werden vor der Montage
`der Halbleiterkérperauf ein die elektrischen Anschliisse
`2,3 aufweisendes Leiterband (Leadframe) aufgebracht.
`Die Ausnehmung9 ist von einer Lumineszenzkonver-
`sionsschicht 4, beispielsweise eine separat hergestellte
`und auf dem Grundgehause 8 befestigte Abdeckplatte
`17 aus Kunststofi, abgedeckt. Als geeignete Materialien
`fiir 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 versehensein.
`Wie bei dem Ausfiihrungsbeispiel nach Fig. 2 kann
`auch hier zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der
`Lumineszenzkonversionsschicht 4 auf dieser eine lin-
`senformige 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
`sein.
`Ebenso ist es méglich, daB die Ausnehmung9,wie in
`Fig. 10 gezeigt, mit einem mit einem anorganischen
`Leuchtstoff 6 versehenen Kunststoff oder Glas, d. h. mit
`einer Lumineszenzumhiillung5 gefiillt ist, die das Lumi-
`neszenzkonversionselement bildet. Eine Abdeckplatte
`17 und/oder eine linsenférmige Abdeckung 29 kann
`dann auch weggelassen sein. Weiterhin ist optional, wie
`in Fig. 11 dargestellt, der erste elektrische AnschiuB 2
`z. B. durch Pragen im Bereich des Halbleiterkérpers 1
`als Reflektorwanne 34 ausgebildet, die mit einer Lumi-
`neszenzkonversionsumhiillung 5 gefiilltist.
`In Fig. 4 ist als weiteres Ausfiihrungsbeispiel eine so-
`genannte Radialdiode dargestelit. Hierbei ist der Halb-
`leiterkérper 1 in einem als Reflektor ausgebildeten Teil
`16 des ersten elektrischen Anschlusses 2 beispielsweise
`mittels Léten oder Kleben befestigt. Auch derartige Ge-
`hausebauformen sind aus der Leuchtdiodentechnik
`wohlbekannt und bediirfen von daher keiner naheren
`Erlauterung.
`Bei dem Ausfithrungsbeispiel von Fig.4 ist der Halb-
`leiterkérper 1 von einer transparenten Umbhiillung 15
`umgeben, die wie beim zweitgenannten Ausfithrungs-
`beispiel (Fig. 2) keine Wellenlangenanderung der von
`dem Halbleiterkérper 1 ausgesandten Strahlung be-
`wirktund beispielsweise aus einem herkémmlich in der
`Leuchtdiodentechnik verwendeten transparenten Ep-
`oxidharz oder aus einem anorganischen Glas bestehen
`kann.
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`Auf dieser transparenten Umhiillung 15 ist eine Lumi-
`neszenzkonversionsschicht 4 aufgebracht. Al