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`@ Offenlegungsschrift
`@ BUNDESREPUBLIK
`DEUTSCH LAND @DE 19638667 A1
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`@) lnt. Cl.8:
`H01 L 33/00
`G02F 2/02
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`-
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`@ Aktenzeichen:
`@ Anmeldetag:
`@ Offenlegungstag:
`
`19638667.5
`20. 9. 96
`2. 4.98
`
`DEUTSCH ES
`
`PATENTAMT
`
`@Anmelder:
`Siemens AG, 80333 Munchen, DE
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`Q
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`@ Erfinder:
`Schlotter, Peter, Dr., 79112 Freiburg, DE; Schmidt,
`Rolf, 79279 Vorstetten, DE; Schneider, Jurgen, Dr.,
`79199 Kirchzarten, DE
`
`@) Entgegenhaltungen:
`DE
`33 15 675 C2
`DE
`38 04 293 At
`DE-OS 20 59 909
`Abstract zu JP 07 176 794 A;
`»Appl.Phys.Lett.« 69 {12.Aug.1996) 898-900;
`
`Priifungsantrag gem. § 44 PatG ist gestellt
`@) Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement
`® Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement
`14 6
`mit einem Strahlung aussendenden Halbleiterkorper (1) und
`einem Lumineszenzkonversionselement (4. 5). Der Halblei(cid:173)
`terkorper (1) sendet Strahlung mit einer Wellenliinge i.. :i
`520 nm und das Lumineszenzkonversionselement (4, 5)
`wandelt einen Tail dieser Strahlung In Strahlung mit einer
`groBeren Wellenliinge um. Dadurch lassen sich Leuchtdi(cid:173)
`oden herstellen, die mischfarbiges Licht, insbesondere wei(cid:173)
`Bes Licht abstralllen. Das Lumineszenzkonversionselement
`(4, 6) waist einen anorganischen Leuchtstoff (6) auf.
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`Die folgenden Angaben aind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen
`BUNDESDRUCKEREI 02. 98 802 014/ 138
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`(cid:47)(cid:50)(cid:58)(cid:40)(cid:54) 1018, Page 1
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`DE 196 38 667 Al
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`Beschreibung
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`Die Erfindung beziebt sich auf ein mischfarbiges, ins(cid:173)
`besondere weiBes Licht abstrahlendes Halbleiterbau(cid:173)
`element.
`In vielen potentiellen Anwendungsgebieten fur
`Leuchtdioden, wie zum Beispiel bei Anzeigeelementen
`im Kfz-Armaturenbrett, Beleucbtung in Flugzeugen
`und Autos und bei vollfarbtauglichen LED-Displays,
`tritt verstiirkt die Forderung nach Leuchtdiodenanord(cid:173)
`nungen auf, mit denen sich mischfarbiges Licht, insbe(cid:173)
`sondere weiBes Licht erzeugen liBt. Bisher lil3t sich
`weiBes "LED"-Licht nur mit sogenannten Multi-LEDs
`erzeugen, bei denen drei verschiedenfarbige Leuchtdi(cid:173)
`oden (La. eine rote, eine grilne und eine blaue) oder zwei 15
`komplementirfarbige Leuchtdioden (z. B. eine blaue
`und eine gelbe) verwendet werden. Neben einem erhoh(cid:173)
`ten Montageaufwand sind fur solche Multi-LEDs auch
`aufwendige Ansteuerelektroniken erforderlich, da die
`verschiedenen Diodentypen unterschiedliche Ansteuer(cid:173)
`spannungen benotigen. AuBerdem wird die Langzeitsta(cid:173)
`bilitiit hinsicbtlich Wellenlange und lntensitat durch un(cid:173)
`terschiedliche Alterungserscheinungen der verschiede(cid:173)
`nen Leuchtdioden und auch aufgrund der unterschiedli(cid:173)
`chen Ansteuerspannungen und den daraus resultieren(cid:173)
`den unterschiedlichen Betriebsstromen beeintrichtigt.
`Ein zusatzlicher Nachteil der Multi-LEDs besteht darin,
`daB die Bauteilminiaturisierung stark begrenzt ist.
`Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestebt dar-
`in, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten 30
`Art zu entwickeln, mit dem auf technisch einfacbe Wei-
`se, mit einem moglichst geringen Bauteileaufwand,
`mischfarbiges Licht, insbesondere weiBes Licht erzeugt
`werden kann.
`Diese Aufgabe wird durcb ein Halbleiterbauelement
`nach Anspruch t gelost. Vorteilbafte Weiterbildungen
`der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprilche 2
`bis 30. Die Unteranspr0che 31 bis 34 geben bevorzugte
`Verwendungsmoglichkeiten des erfindungsgemil3en
`Halbleiterbauelements an.
`ErfindungsgemiB ist ein Strahlung aussendender
`Halbleiterkorper, mit rnindestens einem ersten und min(cid:173)
`dcstens einem zweiten mit dem Halbleiterkorper elek(cid:173)
`triscb leitend verbundenen elektrischen AnschluB vor(cid:173)
`gesehen, dem cin Lumineszenzkonversionselement zu- 45
`geordnet ist. Der Halbleiterkorper weist eine Schichten(cid:173)
`folge auf, die eine elektromagnetische Strahlung mit
`Wellenlangen i.. ~ 520 nm aussendet. Sie weist insbe(cid:173)
`sondere eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht
`aus Gaxln1 -xN oder GaxAl1 -xN auf. Das Lurnineszenz(cid:173)
`konversionselement wandelt Strahlung eines ersten
`spektralen Tcilbereiches der von dem Halbleiterkorper
`ausgesandten, aus einem ersten Wellenlangenbereich
`stammenden Strahlung in Strahlung eines zweiten Wel(cid:173)
`lenliingenbereiches um. derart, daB das Halbleiterbau- ss
`element Strahlung aus mindestens einem zweiten spek(cid:173)
`tralen Teilbereich des ersten Wellenlangenbereiches
`und Strahlung des zweiten Wellenlangenbereiches aus(cid:173)
`sendet. Das Lumineszenzkonversionselement ist dazu
`mit mindestens einem anorganischen Leuchtstoff, insbe- 60
`sondere mit einem Phosphor versehen. Das heiBt zum
`Bcispiel daO das Lumineszcnzkonversionselement ei(cid:173)
`nen Teil einer vom Halbleiterkorpcr ausgesandten
`Strahlung spektral selektiv absorbiert und im liinger(cid:173)
`welligen Bereich (im zweiten Wellenlangenbereich) 65
`emittiert. ldealerweise weist die von dem Halbleiterkor(cid:173)
`pcr ausgesandtc Strahlung bei einer Wellenlange i.. s
`520 nm ein lntcnsitatsmaximum auf.
`
`2
`Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs(cid:173)
`gemil3en Halbleiterbauelements besteht das Lumines(cid:173)
`zenzkonversionselement zumindest teilweise aus einem
`tra.nsparenten Epoxidharz, das mit dem anorganischcn
`s Leuchtstoff versehen ist. Vorteilhafterweise !assen sich
`namlich anorganische Leuchtstoffe
`insbesondere
`Phospbore wie z. B. YAG: Ce (Y:sA.4012: Ce3+1 auf
`einfache Weise in Epoxidharz einbinden. Weiterhin als
`Leuchtstoffe geeignet sind weitere mit Seltenen Erden
`10 dotierte Gran ate wie
`z. B. Y 3Ga5O12 : Ce3 +,
`Y(AlGa)sO12: Cel+ und Y(AlGa)sO12: Tol+ sowie
`mit Seltenen Erden dotierte Erdalkali-Sulfide wie z. B.
`SrS : Ce3+, Na,
`SrS : Cel+, Cl,
`SrS : CeCb,
`CaS : Cel+ + und SrSe : Ce3+.
`Zur Erzeugung von mischfarbigem Licht eignen sich
`daruberhinaus mit Seltencn Erden dotierte Thiogallate
`wie z. B. CaGa:zS4 : Cel+ und SrGa:zS4 : Ce3+ sowie mit
`Seltenen Erden dotierte Aluminate wie z. B. YA-
`1O3 : ceH, YGaO3 : Ce3+, Y(Al,Ga)O3 : eel+ und mit
`20 Seltenen Erden dotiene Orthosilikate M2SiO5 : Cel+
`(M:Sc, Y,Sc) wie z. B. Y2SiOs: Cel+. Bei alien Yttrium(cid:173)
`verbindungen kann das Yttrium im Prinzip auch durch
`Scandium oder Lanthan ersetzt werden.
`Ebenso kann vorteilhafterweise bei dem erfindungs-
`25 gemil3en Halbleiterbauelement aucb eine Anzahl (ciner
`oder mebrere) von aus dem crsten Wcllcn.langenbereich
`stammenden ersten spektralen Teilbereichen in mehre(cid:173)
`re zweite Wellenlangenbereiche umgewandelt werden.
`Dadurch ist cs vorteilhafterweise moglich, vielfiiltige
`Farbmischungen und Farbtemperaturen zu erzeugen.
`Das erfindungsgemil3e Halbleiterbauelement hat den
`besonderen Vorteil daO das Ober Lumineszenkonver(cid:173)
`sion erzeugte Wellenlangenspektrum und damit die
`Far be des abgestrahlten Lichtes nicht von der Hohe dcr
`35 Betriebsstrornstlrke durcb den Halbleiterkorper ab(cid:173)
`hangt. Dies ist insbesondere dann von groBer Bedeu(cid:173)
`tung, wenn die Umgebungstemperatur des Halbleiter(cid:173)
`bauelementes und damit bekanntermaOen auch die Be(cid:173)
`triebsstromstirke stark schwankt. Besonders Leuchtdi-
`40 oden mit einem Halbleiterk6rper auf der Basis von GaN
`sind diesbez0glich sehr empfindlich.
`AuBerdem benotigt das crfindungsgemi!Be Halblei-
`terbauelement im Gegensatz zu den eingangs genann(cid:173)
`ten Multi-LEDs nur eine einzige Ansteuerspannung und
`damit aucb nur eine einzige Ansteuerschaltungsanord(cid:173)
`nung, wodurch der Bauteileaufwand sehr gering gehal-
`ten werden kann.
`Bei einer besonders bevorzugten AusfOhrungsform
`der Erfindung ist als Lumineszenzkonversionselement
`so Ober oder auf dem Halbleitcrkorper eine teiltransparen(cid:173)
`te, d. h. eine filr die von dem Strahlung aussendenden
`Halbleiterkorper ausgesandte Strahlung teilweise trans(cid:173)
`parente Lumineszenzkonversionsschicht vorgesehcn.
`Um eine einbcitliche Farbe des abgestrahlten Llchtes
`sicherzustellen, ist vorteilhafterweise die Lumineszenz(cid:173)
`konversionsscbicbt derart ausgebildet, daB sie durch-
`weg eine konstante Dicke aufweist. Ein besonderer Vor(cid:173)
`tcil eines erfindungsgemiBen Halbleiterbauelemcnts
`gemaB dieser Weiterbildung besteht darin, daB au£ ein(cid:173)
`fache Weise eine hohe Reproduzierbarkcit erzielt wer(cid:173)
`den kann, was fiir eine effiziente Massenfertigung von
`wesentlicher Bcdeutung ist. Als Lumineszenzkonver(cid:173)
`sionsschicht kann beispielsweise eine mit anorgani(cid:173)
`schem Leuchtstoff versetzte Lack- oder Kunstharz(cid:173)
`scbicht vorgesehen sein.
`Eine andere bevorzugte AusfObrungsform des erfm(cid:173)
`dungsgemil3en Halbleiterbauelementcs weist als Lumi(cid:173)
`nenzkonversionselement eine teiltransparente Lumi-
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`neszenzkonversionsumhiillung auf, die :zumindes: einen
`Tei! des Halbleiterkorpers (und evtl. Teilbereiche der
`elektrischen Anschliisse) umschlieBt und gleichzeitig als
`Bauteilumhiillung (Gehiiuse) genutzt sein kann. Der
`Vorteil eines Halbleiterbauelements gemiil3 dieser Aus(cid:173)
`fiihrungsform besteht im wesentlichen darin, da8 zu sei(cid:173)
`ner Herstellung konventionelle, fiir die Herstellung von
`herkommlichen Leuchtdioden (z. B. Radial-Leuchtdi(cid:173)
`oden) eingesetzte Produktionslinien genutzt werden
`konnen. Fiir die Bauteilumhiillung ist anstelle ces bei
`herkommlichen Leuchtdioden dafiir verwendeten trans·
`parenten Kunststoffes das Material der Lurnineszenz(cid:173)
`konversionsurnhiillung verwendet
`Bei vorteilhaften Ausfiihrungsforrnen des erfindungs(cid:173)
`gemii.Ben Halbleiterbauelements und der beide!l oben
`genannten bevorzugten Ausfiihrungsformen besteht die
`Lumineszenzkonversionsschicht bzw. die Lumine,zenz(cid:173)
`konversionsurnhullung aus einem transparenten Mate•
`rial (z. B. Kunststoff (wie Epoxidharz)), das mit minde(cid:173)
`stens einern anorganischen Farbstoff verseben ist (Bei(cid:173)
`spiele fur geeignete Kunststoffe finden sicb weiter un(cid:173)
`ten). Auf diese Weise !assen sich Lumineszenzkonver(cid:173)
`sionselernente besonders kostengiinstig herstellen. Die
`dazu notwendigen Verfahrensschritte sind niimlich ohne
`groBen Aufwand in herkommliche Produktionslinien fiir
`Leuchtdioden integrierbar.
`Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der
`Erfindung bzw. der o. g. Ausfiihrungsformen ist vorge(cid:173)
`sehen, daB der oder die zweiten Wellenliingenbereiche
`zumindest teilweise groBere Wellenliingen aufweisen
`als der erste Wellenliingenbereich.
`Insbesondere ist vorgesehen, dal3 ein zweiter spektra(cid:173)
`ler Teilbereich des ersten Wellenliingenbereiches und
`ein zweiter Wellenliingenbereich zueinander komple•
`mentiir sine!. Auf diese Weise kann aus einer einzigen
`farbigen Llchtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode
`mit einem einzigen blaues oder griines Licht abstrahlen(cid:173)
`den Halbleiterkorper, mischfarbiges, insbesondere wei(cid:173)
`Bes Licht erzeugt werden. Um z. B. mit einem blaues
`Licht aussendenden Halbleiterkorper wei8es Licht zu
`erzeugen, wird ein Teil des von dem Halbleiterkorper
`ausgesandten Spektralbereiches in einen gelben Spek(cid:173)
`tralbereich konvertiert Die Farbtemperatur des weiBeo
`Lichtes kann dabei durch geeignete Wahl des anorgani(cid:173)
`schen Leuchtstoffes und geeignete Gestaltung des Lu(cid:173)
`mineszenzkonversionselements
`(z. B.
`hinsichtlich
`Schichtdicke und Leuchtstoffkonzentration), variiert
`werden. Dariiberhinaus bieten diese Anordnungen vor(cid:173)
`teilhafterweise auch die Moglichkeit, Leuchtstoffmi(cid:173)
`schungen einzusetzen, wodurch sich vorteilhafterweise
`der gewiinschte Farbton sehr genau einstellen liil3t
`Ebenso konnen Lumineszenzkonversionselemente
`inhomogen ausgestaltet sein, z. B. mittels einer inhomo(cid:173)
`genen Leuchtstoffverteilung. Unterschiedliche Weglli.n(cid:173)
`gen des Lichtes durch das Lumineszenzkonversionsele• ss
`ment konnen dadurch vorteilhafterweise kompensien
`werden.
`Bei einer weiteren bevorzugten Ausfiihrungsform des
`erfindungsgemii.Ben Halbleiterbauelemems weist das
`Lumineszenzkonversionselement oder ein anderer Be(cid:173)
`standteil einer Bauteilumhiillung zur Farbanpassung ei(cid:173)
`nen oder mehrere Farbstoffe auf, die keine Wellenliin(cid:173)
`genkonversion bewirken. Hierzu konnen die fiir die
`Herstellung von herkommlichen Leuchtdioden verwen(cid:173)
`deten Farbstoffe wie z. B. Azo-, Anthrachinon- oder Pe- 65
`rinon-Farbstoffe wie herkommlich eingesetzt werden.
`Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs(cid:173)
`gemii.Ben Halbleiterbauelements ist zumindest ein Tei!
`
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`der Oberfliiche des Halbleiterkorpers von einer ersten,
`z. B. aus einem Kunststoff bestehenden transparenten
`Umhiillung umgeben, auf der die Lumineszenzkonver(cid:173)
`sionsschicht aufgebracht ist Dadurch wird die Strah-
`5 lungsdichte im Lumineszenzkonversionselement und
`somit <lessen Strahlungsbelastung verringert, was sich je
`nach verwendeten Materialien positiv auf die Lebens(cid:173)
`dauer des Lumineszenzkonversionselementes auswirkt
`Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der
`10 Erfindung sowie der oben genannten Ausfiihruogsfor(cid:173)
`men ist ein Halbleiterkorper, z. B. eine Leuchtdiode
`oder eine Laserdiode verwendet, bei dem das ausge(cid:173)
`sandte Strahlungsspektrum bei einer Wellenlange zwi(cid:173)
`schen 420nm und 460 run, insbesondere bei 430 nm (z. B.
`15 Halbleiterkorper auf der Basis von GaxAlt-xN} oder
`450 nm (z. B. Halbleiterkorper auf der Basis von Ga(cid:173)
`xln1 -xN) ein lntenitli.tsmaximum. Mit einem derartigeo
`erfindungsgemiil3en Halbleiterbauelement !assen sich
`vorteilhafterweise nahezu siimtliche Farben und Misch-
`20 farben der CJ.E. -Farbtafel erzeugen.
`Bei einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbil(cid:173)
`dung der Erfindung und deren Ausfiihrungsformen ist
`die Lumineszenzkonversionsumhiillung bzw. die Lumi(cid:173)
`neszenzkonversionsschicht aus einem Lack oder aus ei-
`25 nem Kunststoff, wie beispielsweise die fiir die Umhiil(cid:173)
`lung optoelektronischer Bauelemente eingesetzten Sili(cid:173)
`kon-, Thermoplast- oder Duroplastmaterialien (Epoxid(cid:173)
`u. Acrylatharze) hergestellt Desweiteren konnen z. B.
`aus Tnermoplastmaterialien gefertigte Abdeckelemente
`30 als Lumineszenzkonversionsschicht eingesetzt sein.
`Siimtliche oben genannten Materialien !assen sich auf
`einfache Weise mit einem oder rnehreren anorganischen
`Leuchtstoffen versetzen.
`Besonders einfach liil3t sich ein erfindungsgemiil3es
`35 Halbleiterbauelement vorteilhafterweise dann realisie(cid:173)
`ren, wenn der Halbleiterkorper gemii.B einer bevorzug(cid:173)
`ten Weiterbildung in einer Ausnehmung eines gegebe(cid:173)
`nenfalls vorgefertigten Gehiiuses angeordnet ist und die
`Ausnehmung mit einem die Lumineszenzkonversions-
`40 schicht aufweisenden Abdeckelement versehen ist Ein
`derartiges Halbleiterbauelement liil3t sich in groBer
`Stiickzahl in herkommlichen Produktionslinien herstel(cid:173)
`len. Hierzu muB lediglich nach der Montage des Halblei(cid:173)
`terkorpers in das Gehiiuse, das Abdeckelement, bei-
`45 spielsweise eioe Lack- oder Giel3harzschicht oder eine
`vorgefertigte Abdeckplatte aus Thermoplastmaterial,
`auf das Gehiiuse aufgebracht werden. Optional kann die
`Ausnehmung des Gehiiuses mit einem transparenten
`Material, beispielsweise einem transparenten Kunst·
`so stoff, gefiillt sein, das z. B. die Wellenliinge des von dem
`Halbleiterkorper ausgesandten Lichtes nicht veriindert
`oder aber, falls gewiinscht, bereits lumineszenzkonver·
`tierend ausgebildet sein kann. Im letztgenannten Fall
`kann das Abdeckelement auch weggelassen sein.
`Vorteilhafte Materialien zur Herstellung der o. g. Lu-
`mineszenzkonversionsschicht bzw. Lumineszenzkon(cid:173)
`versionsumhiillung sind z. B. Polymethylmetacrylat
`(PMMA) oder Epoxidharz dem ein oder mehrere anor(cid:173)
`ganische Leuchtstoffe zugesetzt sind.
`60 Bei einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsform
`des erfindungsgemiil3en Halbleiterbauelements beste(cid:173)
`hen zumindest alle lichtdurchstrahlten Komponenten
`der Umhiillung, cl. h. auch die Lumineszenzkonversions•
`umhiillung bzw. -schicht aus rein anorganischen Mate(cid:173)
`rialien. Das Lumineszenzkonversionselement besteht
`somit aus einem anorganischen Leuchtstoff, der in ei-
`nem temperaturstabilen, transparenten oder teiltrans(cid:173)
`parenten anorganischen Material eingebettet ist Insbe-
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`DE 196 38 667 Al
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`s
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`5
`sondere besteht das Lumineszenzkonversionselement
`aus einem anorganischen Phosphor, der in ein vorteil(cid:173)
`hafterweise niedrig schmelzendes anorganisches Glas
`(z. B. Silikatglas) eingebettet ist. Eine bevorzugte Her(cid:173)
`stellungsweise filr eine derartige Lumineszenzkonver-
`sionsschicht ist die Sol-Gel-Technik, mit der die gesamte
`Lumineszenzkonversionsschicht, d. h. sowohl der anor(cid:173)
`ganische Leuchtstoff als auch das Einbettrnaterial in ei(cid:173)
`nem Arbeitsgang hergestellt werden kann.
`Um die Durchmischung der von dem Halbleiterkor- 10
`per ausgesandten Strahlung des ersten Wellenlangenbe(cid:173)
`reiches mit der lumineszenzkonvertierten Strahlung des
`zweiten Wellenlangenbereiches und damit die Farbkon(cid:173)
`stanz des abstrahlten Lichtes zu verbessern, ist bei einer
`vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemaBen 15
`Halbleiterbauelements der Lumineszenzumhiillung
`bzw. der Lumineszenzkonversionsschicht und/oder ei(cid:173)
`ner anderen Komponente der Bauteilumhiillung zusatz(cid:173)
`lich ein im Blauen lumineszierender Farbstoff hinzuge(cid:173)
`fiigt, der eine sogenannte Richtcharakteristik der von 20
`dem Halbleiterkorper abgestrahlten Strahlung ab(cid:173)
`schwacht. Unter Richtcharakteristik ist zu verstehen,
`daB die von dem Halbleiterkorper ausgesandte Strah(cid:173)
`lung eine bevorzugte Abstrahlrichtung aufweist.
`Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des er- 25
`findungsgemaBen Halbleiterbauelements ist zu diesem
`Zweck ein pulverformiger anorganischer Leuchtstoff
`verwendet, der sich in dem ihn umhiillenden Stoff (Ma(cid:173)
`trix) nicht lost. AuBerdem weisen der anorganische
`Leuchtstoff und der ihn umhiillende Stoff voneinander 30
`verschiedene Brechungsindizes auf. Dies filhrt vorteil(cid:173)
`hafterweise dazu, daB abbangig von der KorngroBe des
`Leuchtstoffes, ein Anteil des nicht vom Leuchtstoff ab(cid:173)
`sorbierten Licbtes gestreut wird. Dadurch ist die Richt(cid:173)
`charakteristik der von dem Halbleiterkorper abge- 35
`strablten Strahlung effizient geschwacbt, so daB die
`nicht absorbierte Strahlung und die lumineszenzkonver(cid:173)
`tierte Strahlung homogen gemischt werden, was zu ei(cid:173)
`nem raumlich homogenen Farbeindruck fiihrt. Das ist
`z. B. der Fall wenn YAG : Ce mit einer KomgroBe von 40
`4 µm-13 µm in Epoxidharz eingebettet ist.
`Ein weiBes Licht abstrahlendes erfindungsgemaBes
`Halbleiterbauelement laBt sich beispielsweise dadurch
`realisieren, daB einem zur Herstellung der Lumines(cid:173)
`zenzkonversionsumhiillung oder -schicht verwendeten 45
`Epoxidharz
`der
`anorganische
`Leuchtstoff
`Y2Als012: Ce3+ beigemischt wird. Ein Teil einer von
`dem Halbleiterkorper ausgesandten blauen Strahlung
`dem
`anorganischen
`Leuchtstoff
`wird
`von
`Y JAls012 : Ce3+ in den gelben Spektralbereich und so- so
`mit in einen komplementaren Wellenlangenbereich ver(cid:173)
`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- ss
`derem den besonderen Vorteil daB es sich hierbei um
`nicht losliche Farbpigmente {TeilchengroBe z. B. 10 µrn)
`mit einem Brechungsindex von ca. 1,84 handelt. Dadurch
`tritt neben der Wellenlangenkonversion noch ein Streu(cid:173)
`effekt auf, der zu einer guten Vermischung von blauer 60
`Diodenstrahlung und gelber Konverterstrahlung filhrt.
`Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung eines
`erfindungsgemaBen Halbleiterbauelements bzw. der
`oben angegebenen vorteilhaflen Ausfilhrungsformen
`sind dem Lumineszenzkonversionselement oder einer 65
`anderen strahlungsdurchlassigen Komponenle der Bau(cid:173)
`teilumhilllung zusatzlich lichtstreuende Partikel soge(cid:173)
`nannle Diffusoren zugeselzt. Hierdurch liiBt sich vor-
`
`6
`teilhafterweise der Farbeindruck und die Abstrahlcha(cid:173)
`rakteristik des Halbleiterbauelements weiler optimie(cid:173)
`ren.
`Von besonderem Vorteil ist, daB die Leuchteffizienz
`von weiB!euchtenden erfindungsgemaBen Halbleiter(cid:173)
`bauelementen bzw. deren o. g. Ausfilhrungsformen mil
`einem im wesentlichen auf der Basis von GaN herge(cid:173)
`slellten blau leuchtenden Halbleilerkorper gegen!iber
`der Leuchteffizienz einer Gliihbirne erheblich erhoht
`ist. Der Grund dafilr besteht darin, daB zum einen die
`externe Quantenausbeute derartiger Halbleiterkorper
`bei einigen Prozent liegt und andererseits die Lumines(cid:173)
`zenzausbeute von anorganischen Leuchtstoffen oft bei
`ilber 90% angesiedelt ist. Darilberhinaus zeichnet sich
`das erfindungsgemaBe Halbleilerbauelement im Ver(cid:173)
`gleich zur Glilhbime durch eine extrem lange Lebens(cid:173)
`dauer, groBere Robustheit und eine kleinere Betriebs(cid:173)
`spannung aus.
`Vorteilhaft ist weiterhin, daB die filr das menschliche
`Auge wahrnehmbare Helligkeit des erfindungsgemaBen
`Halbleiterbauelements gegeniiber einem ohne Lumi(cid:173)
`neszenzkonversionselement ausgestatteten, aber sonst
`identischen Halbleiterbauelement deutlich erhoht wer(cid:173)
`den kann, da die Augenempfindlichkeit zu hoherer Wel(cid:173)
`lenlange hin zunimmt. Es kann dariiberhinaus auch ul(cid:173)
`traviolettes Licht in sichtbares Licht umgewandelt wer•
`den.
`Das hier vorgeslellte Konzept der Lumineszenzkon(cid:173)
`version mit blauem Licht eines Halbleiterkorpers laBt
`sicb vorteilhafterweise auch auf rnehrstufige Lumines(cid:173)
`zenzkonversionselemente erweitern, nach dem Schema
`ultraviolett - blau - griin-+ gelb -+ rot. Hierbei wer(cid:173)
`den mehrere unterschiedlich spektral selektiv emittie(cid:173)
`rende Lumineszenzkonversionselemente relativ zum
`Halbleiterkorper hintereinander angeordnet
`Ebenso konnen vorteilhafterweise mehrere unter(cid:173)
`schiedlich spektral selektiv emittierende anorganische
`Leuchtstoffe gemeinsam in einen transparenten Kunst(cid:173)
`stoff eines Lumineszenzkonversionselements eingebet(cid:173)
`tet sein. Hierdurch isl ein sehr breites Farbenspektrum
`erzeugbar.
`Besonders vorteilhaft konnen erfindungsgemaBe
`Halbleiterbauelemente gemaB der vorliegenden Erfin(cid:173)
`dung z. B. in vollfarbtauglichen LED-Anzeigevorrich(cid:173)
`tungen {Displays) oder zu Beleuchtungszwecken in
`Flugzeugen, Kraftfahrzeugen usw. eingesetzt werden.
`Ein besonderer Vorteil von erfindungsgemaBen wei(cid:173)
`Bes Licht abstrahlenden Halbleiterbauelementen auf
`der Basis Ce-dotierter Phosphore, insbesondere Ce-do(cid:173)
`tierter Granate wie z. B. YAG : Ce als Leuchtstoff, be(cid:173)
`steht darin, daB diese Leuchtstoffe bei Anregung mit
`blauem Licht eine spektrale Verschiebung von ca 100
`nm zwischen Absorption und Emission bewirkt. Dies
`fiihrt zu einer wesentlichen Reduktion der Reabsorp(cid:173)
`tion des vom Leuchtstoff emittierten Lichtes und damit
`zu einer hoheren Lichtausbeute. AuBerdem besitzen
`derartige anorganische Leuchtstoffe vorteilhafterweise
`im allgemeinen eine hohe thermische und photochemi(cid:173)
`sche (z. B. UV-) Stabilitat (wesentlich hoher als organi(cid:173)
`sche Leuchtstoffe), so daB auch WeiB Jeuchtende Di(cid:173)
`oden fiir AuBenanwendung und/oder hohe Temperatur(cid:173)
`bereiche herstellbar sind.
`Besonders vorteilhaft !assen sich erfindungsgemaBe
`Halbleiterbauelemente insbesondere aufgrund ihrer ge(cid:173)
`ringen Leistungsaufnahme in vollfarbtauglichen LED(cid:173)
`Displays, zur Beleucbtung von Kfz-Innenraumen oder
`von Flugzeugkabinen sowie zur Beleuchtung von An(cid:173)
`zeigevorrichtungen wie Kfz-Armaturen oder Fliissig-
`
`(cid:47)(cid:50)(cid:58)(cid:40)(cid:54) 1018, Page 4
`VIZIO Ex. 1018 Page 0004
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`DE 196 38 667 Al
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`kristallanzeigen verwenden.
`Weitere Merkrnale, Vorteile und Zweckrnal3igkeiten
`der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be(cid:173)
`schreibung von neun Ausfiihrungsbeispielen in Verbin(cid:173)
`dung mit den Fig. 1 bis 12. Es zeigen:
`Fig. I eine schematische Schnittansicht durch ein er(cid:173)
`stes Ausfiihrungsbeispiel eines erfindungsgemii.f3en
`Halbleiterbauelements;
`Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemii.!3en Halb(cid:173)
`leiterbauelementes;
`Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch ein drit(cid:173)
`tes Ausfiihrungsbeispiel eines erfindungsgemal3e Halb(cid:173)
`leiterbauelementes;
`Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines vierten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemal3en Halb(cid:173)
`leiterbauelements;
`Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines fiinften
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemaBen Halb(cid:173)
`leiterbauelementes;
`Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines sechsten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemal3en Halb(cid:173)
`leiterbauelementes;
`Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Emissions(cid:173)
`spektrums eines blaues Licht abstrahlenden Halbleiter(cid:173)
`korpers mit einer Schichtenfolge auf der Basis von
`GaN;
`Fig. 8 eine schematische Darstellung der Emissions(cid:173)
`spektren von erfindungsgemal3en Halbleiterbauelemen(cid:173)
`ten, die weil3es Licht abstrahlen;
`Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung durch ei(cid:173)
`nen Halbleiterkorper, der blaues Licht aussendet;
`Fig. 10 eine schematische Schnittansicht eines siebten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemaf3en Halb(cid:173)
`leiterbauelementes;
`Fig. 11 eine schematische Schnittansicht eines achten
`Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemal3en Halb(cid:173)
`leiterbauelementes und
`Fig. 12 eine schematische Schnittansicht eines neun(cid:173)
`ten Ausfiihrungsbeispieles eines erfindungsgemal3en
`Halbleiterbauelementes.
`In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche
`oder gleichwirkende Teile immer mit denselben Bezugs(cid:173)
`zeichen versehen.
`Bei dem in Fig. I dargestellten Licht aussendenden 45
`Halbleiterbauelement weist ein Halbleiterkorper 1, z. B.
`eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, einen Riicksei(cid:173)
`tenkontakt 11, einen Vorderseitenkontakt 12 und eine
`sich aus einer Anzahl von unterschiedlichen Schichten
`zusammensetzende Schichtenfolge 7 auf, die rnindestens so
`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 slimtliche im folgenden beschriebenen
`Ausfiihrungsbeispiele ist in Fig. 9 gezeigt. Hierbei ist auf 55
`einem Substrat 18, das z. B. aus SiC besteht, eine Schich(cid:173)
`tenfolge aus einer AIN- oder GaN-Schicht 19, einer
`n-leitenden GaN-Schicht 20, einer n-leitenden Ga(cid:173)
`xAii -xN- oder Gaxlni -xN-Schicht 21, einer weiteren
`nleitenden GaN- oder Gaxlnt -xN-Schicht 22, einer so
`p-leitenden GaxAlt-xN- oder Gaxln1-xN-Schicht 23
`und einer p-leitenden GaN-Schicht 24 aufgebracht. Auf
`einer Hauptflliche 25 der pleitenden GaN-Schicht 24
`und einer Hauptflliche 26 des Substrats 18 ist jeweils
`eine Kontaktmetallisierung 27, 28 aufgebracht, die aus 65
`einem herkommlich in der Halbleitenechnik fiir elektri(cid:173)
`sche Kontakte verwendeten Werkstoff besteht.
`Es kann jedoch auch jeder andere dem Fachmann fiir
`
`8
`das erfindungsgemal3e Halbleiterbauelement als geeig(cid:173)
`net erscheinende Halbleiterkorper verwendet werden.
`Dies gilt ebenso fiir slimtliche nachfolgend beschriebe(cid:173)
`nen Ausfiihrungsbeispiele.
`Im Aus:iihrungsbeispie! von Fig. I ist der Halbleiter-
`korper 1 mittels eines elektrisch leitenden Verbindungs(cid:173)
`mittels, z. B. ein metallisches Lot oder ein Klebstoff, mit
`seinem Ruckseitenkontakt 11 auf einem ersten elektri(cid:173)
`schen Anschluf3 2 befestigt Der Vorderseitenkontakt 12
`10 ist mittels eines Bonddrahtes 14 mit einem zweiten elek(cid:173)
`trischen Anschluf3 3 verbunden.
`Der Halbleiterkorper 1 und Teilbereiche der elektri(cid:173)
`schen Anschliisse 2 und 3 sind unmittelbar von einer
`Lumineszenzkonversionsumhiillung 5 umschlossen.
`1s Diese besteht beispielsweise aus einem fiir transparente
`Leuchtdiodenumhiillungen verwendbaren transparen(cid:173)
`ten Kunststoff (z. B. Epoxidharz oder Polymethylmetaa(cid:173)
`crylat) oder einem niedrig schmelzenden anorganischen
`Glas, dem ein anorganischer Leuchtstoff 6, z. B.
`20 Y3Als012: Ce3+ (Y AG : Ce) fiir ein weil3es Licht ab(cid:173)
`strahlendes Halbleiterbauelement, beigemischt ist.
`Das in Fig. 2 dargestellte Ausfiihrungsbeispiel eines
`erfindungsgemal3en Halbleiterbauelements unterschei(cid:173)
`det sich von dem der Fig. I dadurch, daB der Halbleiter-
`25 korper 1 und Teilbereiche der elektrischen Anschliisse 2
`und 3 anstatt von einer Lumineszenzkonversionsumhiil(cid:173)
`lung von einer transparenten Umhiillung 15 umschlos(cid:173)
`sen sind. Diese transparente Umhiillung 15 bewirkt kei(cid:173)
`ne Wellenlangenlinderung einer von dem Halbleiterkor-
`30 per 1 ausgesandten Strahlung und besteht beispielswei(cid:173)
`se aus einem in der Leuchtdiodentechnik herkommlich
`verwendeten Epoxid-, Silikon- oder Acrylatharz oder
`aus einem anderen geeigneten strahlungsdurchllissigen
`Material wie z. B. anorganisches Glas.
`35 Auf diese transparente Umhiillung 15 ist eine Lumi-
`neszenzkooversionsschicht 4 aufgebracht, die, wie in der
`Fig. 2 dargestellt, die gesamte Oberflliche der Umhiil(cid:173)
`lung 15 bedeckt. Ebenso denkbar ist, dal3 die Lumines(cid:173)
`zenzkonversionsschicht 4 nur einen Teilbereich dieser
`40 Oberfliiche bedeckt. Die Lumineszenzkonversions(cid:173)
`schicht 4 besteht beispielsweise wiederum aus einem
`transparenten Kunststoff (z. B. Epoxidharz, Lack oder
`Polymethy!metaacrylat) oder aus einem anorganischen
`Glas, der bzw. das mit einem anorganischen Leuchtstoff
`6 versetzt ist. Auch hier eignet sich als Leuchtstoff fiir
`ein weif3
`leuchtendes Halbleiterbauelement z. B.
`YAG:Ce.
`Dieses Ausfiihrungsbeispiel hat den besonderen Vor(cid:173)
`teiL dal3 fii~ die gesamte von dem Halbleiterkorper aus(cid:173)
`gesandte Strahlung die Wegllinge durch das Lumines(cid:173)
`zenzkonverionselement naherungsweise gleich groB ist
`Dies spielt insbesondere dann eine bedeutende Rolle,
`wenn, wie oftmals der Fall, der genaue Farbton des von
`dem Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichtes von
`dieser Wegliinge abhangt.
`Zur besseren Auskopplung des Lichtes aus der Lumi(cid:173)
`neszenzkonversionsschicht 4 von Fig. 2 kann auf einer
`Seitenflliche des Bauelements eine !insenformige Ab-
`deckung 29 (gestrichelt eingezeichnet) vorgesehen sein,
`die eine Totalreflexion der Strahlung innerhalb der Lu(cid:173)
`mineszenzkonversionsschicht 4 reduziert Diese linsen-
`formige Abdeckung 29 kann aus transparentem Kunst·
`stoff oder Glas bestehen und auf die Lumineszenzkon(cid:173)
`versionsschicht 4 beispielsweise aufgeklebt oder direkt
`als Bestandteil der Lumineszenzkonversionsschicht 4
`ausgebildet sein.
`Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfiihrungsbeispiel
`sind der erste und der zweite elektrische Anschlul3 2, 3 in
`
`(cid:47)(cid:50)(cid:58)(cid:40)(cid:54) 1018, Page 5
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`9
`ein lichtundurchllissiges evtl. vorgefertigtes Grundge(cid:173)
`hliuse 8 mit einer Ausnehmung 9 eingebettet. Unter
`"vorgefertigt" ist zu verstehen, daB das Grundgehause 8
`bereits an den Anschlussen 2, 3 beispielsweise mittels
`SpritzguB fertig ausgebildet ist, bevor der Halbleiter(cid:173)
`korper auf den ersten AnschtuB 2 montiert wird. Das
`Grundgehliuse 8 besteht beispielsweise aus einem licht(cid:173)
`undurchlassigen Kunststoff und die Ausnehmung 9 ist
`als Reflektor 17 (ggf. durch geeignete Beschichtung der
`Innenwande der Ausnehmung 9) ausgebildet Solche
`Grundgehause 8 werden seit langem insbesondere bei
`(SMD-TO(cid:173)
`oberflachenrnontierbaren Leuchtdioden
`PLEDs) verwendet und werden daher an dieser Stelle
`nicht mehr naher erlautert. Sie werden vor der Montage
`der Halbleiterkorper auf ein die elektrischen Anschlusse
`2, 3 aufweisendes Leiter band (Leadframe) aufgebracht
`Die Ausnehmung 9 ist von einer Lumineszenzkonver(cid:173)
`sionsschicht 4, beispielsweise eine separat hergestellte
`und auf dem Grundgehause 8 befestigte Abdeckplatte
`17 aus Kunststoff, abgedeck