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Technischer Hintergrund
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen von Leuchtdioden (LED's),
insbesondere von LED's, welche in dem Bereich höherer Energie,
höherer Frequenz, kürzerer Wellenlänge
des sichtbaren Spektrums emittieren und welche in Verbindung mit einem
Leuchtstoff zum Erzeugen von weißem Licht verwendet werden.
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Leuchtdioden
stellen einen Typ einer photonischen Halbleitervorrichtung dar.
Insbesondere emittieren LED's Licht in Reaktion auf einen Strom
in Durchlaßrichtung, welcher durch einen pn-Übergang (bzw.
eine funktional äquivalente Struktur) geleitet wird, welcher
Rekombinationen zwischen Elektronen und Löchern bewirkt.
Gemäß wohlbegründeten Quantenprinzipien
wird bei der Rekombination Energie in diskreten Mengen emittiert
und sind, wenn die Energie als Photon freigesetzt wird, die Wellenlänge (und
somit Frequenz und Farbe) des Photons kennzeichnend für
das Halbleitermaterial, welches die Diode bildet.
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Als
weiteren Vorteil haben LED's aufgrund der Tatsache, daß diese
Festkörpervorrichtungen sind, die wünschenswerten
Eigenschaften vieler anderer Halbleitervorrichtungen, wie etwa lange
Lebensdauer, relativ robuste physikalische Eigenschaften, hohe Zuverlässigkeit,
leichtes Gewicht und (in vielen Fällen) niedrige Kosten
mit diesen gemein.
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Die Kapitel
12–14 von Sze, PHYSICS OF SEMICONDUCTOR DEVICES (2. Auflage
1981) und Kapitel 7 von Sze, MODERN SEMICONDUCTOR DEVICE
PHYSICS (1998) bieten eine gute Erläuterung einer
Vielfalt photonischer Vorrichtungen einschließlich LED's. Schubert,
LIGHT EMITTING DIODES (Cambridge Press 2003) ist vollständig
diesem Thema gewidmet und behandelt in Kapitel 8 speziell Dioden
aus Nitriden der Gruppe III.
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Aufgrund
der Tatsache, daß die maximale Energiemenge, welche durch
die Rekombination erzeugt werden kann, durch die Energiedifferenz
zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband des emittierenden Materials
repräsentiert wird, wird der Bereich der Wellenlängen,
welche von einer LED emittiert werden können, in weitem
Umfang durch das Material bestimmt, woraus diese ausgebildet ist.
Anders ausgedrückt, ist die maximale Energie, welche durch
eine Rekombination verfügbar wird, durch die Bandlücke
des Halbleiters definiert, wobei Übergänge niedrigerer
Energie beispielsweise durch eine Ausgleichsdotierung in dem Halbleitermaterial
erreicht werden können. Die Energie des Photons kann jedoch
niemals die äquivalente Größe der Bandlücke überschreiten.
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Demgemäß muß,
um die Farben höherer Energie zu erzeugen, wie etwa Grün,
Blau, Violett (und in manchen Fällen Ultraviolettemissionen),
das Halbleitermaterial, welches in der LED verwendet wird, eine
relativ große Bandlücke aufweisen. Infolgedessen
sind Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und das System der Nitridmaterialien
der Gruppe III bei der Herstellung derartige Dioden von erheblichem
Interesse. Aufgrund der Tatsache wiederum, daß die Nitridmaterialien
der Gruppe III „direkte” Emitter (die gesamte
Energie wird als Photon emittiert) sind, sind Dioden auf Basis von
Nitriden der Gruppe III die am häufigsten verwendeten und
kommerziell erhältlichen LED's zum Erzeugen von blauem
Licht. Zum Vergleich wird bei einem indirekten Emitter, wie etwa Siliziumkarbid,
ein Teil der Energie als Photon emittiert und ein Teil als Schwingungsenergie.
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Obgleich
das Erhalten von blauem Licht aus Leuchtdioden von eigenberechtigtem
Interesse ist, besteht ein potentiell größeres
Interesse im Hinblick auf die Eignung blauen Lichts, zum Erzeugen
von weißem Licht verwendet zu werden. In einigen Fällen kann
eine Blau emittierende LED mit roten und grünen LED's (oder
anderen Quellen) kombiniert werden, um weißes Licht zu
erzeugen. Bei einer häufigeren Anwendung wird eine blaue
LED mit einem Leuchtstoff kombiniert, um weißes Licht zu
erzeugen. Der Leuchtstoff ist ein fluoreszierendes Material, gewöhnlich
ein Mineral, welches in Reaktion auf eine Anregung durch die Blau
emittierende LED eine andere Lichtfrequenz emittiert. Gelb ist aufgrund
der Tatsache, daß, wenn das blaue Licht von der LED und
das gelbe, welches durch den Leuchtstoff emittiert wird, kombiniert
werden, diese eine für viele Anwendungen generell befriedigende
Abgabeleistung weißen Lichts liefern, eine bevorzugte Anregungsreaktionsfarbe
für den Leuchtstoff.
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Infolgedessen
ist eine breite Vielfalt von weißen Leuchtdioden auf Basis
des Systems der Nitridmaterialien der Gruppe III und eines Leuchtstoffs
für kommerzielle und experimentelle Anwendungen erhältlich.
Abhängig von der Anwendung weisen bestimmte Diodengestaltungen
jedoch bestimmte Nachteile auf.
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Beispielsweise
umfassen aufgrund der Tatsache, daß große Einkristalle
von Nitridmaterialien der Gruppe III kommerziell nicht erhältlich
bleiben, Dioden auf Basis von Nitriden der Gruppe III typischerweise
jeweilige Epitaxialschichten des p-Typs und des n-Typs aus Nitridmaterialien
der Gruppe III auf einem kristallinen Substrat aus einem anderen Material.
Siliziumsubstrat und Saphir sind die zwei häufigsten Materialien
für derartige Substrate.
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Saphir
weist den Vorteil auf, hochtransparent bei guter mechanischer Festigkeit
zu sein. Saphir weist jedoch den Nachteil einer relativ schlechten Wärmeleitung
und einer relativ ungeeigneten Gitteranpassung im Hinblick auf die
Nitride der Gruppe III auf. Saphir fehlt ferner die Eignung, leitfähig
dotiert zu werden, und somit sind Vorrichtungen auf Saphirbasis
typischerweise horizontal angeordnet, das bedeutet, daß beide
ohmschen Kontakte (Anode und Kathode) in die gleiche Richtung weisen.
Dies kann beim Einbauen der Diode in manche Schaltungen bzw. Strukturen
nachteilig sein und ist ferner mit einer Tendenz verbunden, den
physikalischen Flächenbedarf für jede gegeben
Größe des aktiven Bereichs zu vergrößern.
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Im
Vergleich kann Siliziumkarbid leitfähig dotiert werden
und kann somit als Substrat bei vertikal angeordneten Dioden verwendet
werden, das bedeutet, bei denen, welche die jeweiligen ohmschen Kontakte
an gegenüberliegenden Axialrichtungsenden der Diode aufweisen.
Siliziumkarbid weist ferner eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
auf und liefert eine wesentlich bessere Gitteranpassung im Hinblick
auf Nitride der Gruppe III als Saphir.
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Leitfähiges
Dotieren von Siliziumkarbid vermindert jedoch dessen Transparenz
und beeinträchtigt somit die externe Quantenausbeute einer
LED. Als Hintergrund sei kurz erwähnt, daß das
Verhältnis erzeugter Photonen zu injizierten Ladungsträgern
die interne Quantenausbeute einer Diode darstellt, das bedeutet,
daß ein Anteil der injizierten Ladungsträger Übergänge
erzeugt, welche keine Photonen erzeugen. Ferner werden in jeder
LED einige der erzeugten Photonen durch die Diodenmaterialien oder (wenn
vorhanden) durch die Packmaterialien (typischerweise ein Polymer)
intern absorbiert oder intern reflektiert.
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Somit
wird der Ausdruck „externe Quantenausbeute” bzw.
EQE in diesem Zusammenhang verwendet, um den Anteil der Photonen
zu bezeichnen, welche die Diode (bzw. deren Packung) als sichtbares
Licht verlassen. Insbesondere beschreibt die externe Mengenwirksamkeit
das Verhältnis der emittierten Lichtstärke zum
Stromfluß (beispielsweise aus der Vorrichtung austretende
Photonen/in den aktiven Bereich injizierte Elektronen). Photonen
können durch Absorption in dem Halbleitermaterial selbst, durch
Absorption in den Metallen, Dielektrika oder anderen Materialien,
aus welchen die Diode hergestellt ist, durch Reflexionsverluste
aufgrund der Differenzen der Brechungskoeffizienten, wenn Licht
aus dem Halbleiter in die Luft übertritt, und durch die
interne Totalreflexion von Licht bei Winkeln, welche größer
als der kritische Winkel sind, welcher durch das snelliussche Brechungsgesetz
definiert ist, verlorengehen.
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Um
die EQE des Chips zu maximieren, sollten die Absorptionsverluste
des Substrats minimiert werden. Gemäß Verwendung
in der vorliegenden Schrift sind die Absorptionsverluste in dem
Substrat als die Photonen definiert, welche durch den aktiven Bereich
emittiert werden, dann jedoch in dem Substrat absorbiert werden
und somit nicht zu der EQE beitragen. Für ein vollkommen
transparentes Substrat würden die derart definierten Absorptionsverluste
auf null reduziert. Gemäß Verwendung in der vorliegenden
Schrift wird das Substrat als transparent erachtet, wenn die Absorptionsverluste
weniger als 10% und vorzugsweise weniger als 5% betragen.
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Aufgrund
der Tatsache, daß Dioden, welche Leuchtstoffe zum Erzeugen
von weißem Licht enthalten, häufig für
Beleuchtungszwecke vorgesehen sind, wird die Lichtmenge, welche
durch die Diode bei einem gegebenen Betriebsstrom erzeugt werden kann,
zu einem wichtigen Faktor für einen Vergleich zwischen
und unter verschiedenen Diodenstrukturen.
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Wenn
die LED in Kombination mit einem Leuchtstoff verwendet wird, kann
eine Anzahl von Eigenschaften die externe Quantenausbeute beeinflussen.
Beispielsweise kann aufgrund der Tatsache, daß der Leuchtstoff
gewöhnlich in dem Polymer-Packmaterial verteilt ist, eine
Steuerung der Menge und der Geometrie einer derartigen Verteilung
die Gesamtreaktion des Leuchtstoffs auf die emittierten Photoneu
(positiv oder negativ) beeinflussen und somit die externe Quantenausbeute
beeinflussen.
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Als
weiterer Faktor neigen Leuchtdioden wie andere Lichtquellen dazu,
in bestimmten Richtungen eine größere Lichtmenge
zu erzeugen, als dies in anderen Richtungen der Fall ist. Beispielsweise
neigen viele Dioden dazu, die größte Abgabeleistung
in einer Richtung, welche lotrecht (normal) zu den Epitaxialschichten
verläuft, welche den Übergang bilden, zu erzeugen.
Obgleich dies für manche Zwecke nützlich und wünschenswert
sein kann, kann dies weniger wünschenswert sein, wenn ein
Leuchtstoff zur Kombination mit den Photonen der Diode zum Erzeugen von
weißem Licht verwendet wird.
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Das
Ausmaß, in welchem eine Diode eine Abgabeleistung in einer
gegebenen Richtung, welche anders als lotrecht zu dem Übergang
verläuft, erzeugt, kann unter Verwendung wohlanerkannter
und gut verstandener Instrumente gemessen werden und kann auf Basis
eines Fernfeldmusters ausgedrückt werden, welches auf grafische
Weise hilft, diese Merkmale darzustellen.
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Ein
Verfahren zum Bewerten der Abgabeleistung des Chips basiert auf
dessen Strahlungsfluß und dessen Fernfeldmuster. Der Strahlungsfluß (Rf) wird
häufig in Milliwatt (mW) bei einem Normbetriebsstrom von
20 Milliampere (mA) ausgedrückt.
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Das
Fernfeldmuster stellt eine Messung des Strahlungsflusses, welcher
von der Diode emittiert wird, im Vergleich zu dem Winkel, bei welchem
die Messung vorgenommen wird, dar.
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Die
in der vorliegenden Schrift erwähnten Maßeinheiten
sind herkömmlich und gut verstanden. Somit stellen die
Lichtstrommeßgrößen photometrische Einheiten
dar und werden in Lumen gemessen. Die entsprechende, obgleich nicht
identische radiometrische Meßgröße ist
der Strahlungsfluß, welcher in Watt gemessen wird. Der
Wirkungsgrad wird in der vorliegenden Schrift auf Basis des Stroms
durch die Diode, welcher in der vorliegenden Schrift meist in Milliampere
ausgedrückt wird, als Lichtstrom pro Watt ausgedrückt.
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Eine
nützliche kurze Zusammenfassung dieser und anderer technischer
Faktoren, welche Leuchtdioden und Lampen betreffen, ist in dem Labsphere
Technical Guide „The Radiometry of Light Emitting Diodes” von
Labsphere, Inc., North Sutton, New Hampshire, dargelegt.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die Erfindung eine Leuchtdiode, welche ein transparentes
(und potentiell eine niedrige Leitfähigkeit aufweisendes)
Siliziumkarbidsubstrat, eine aktive Struktur, welche aus dem System
der Nitridmaterialien der Gruppe III auf dem Siliziumkarbidsubstrat
ausgebildet ist, und jeweilige ohmsche Kontakte an der Oberseite
der Diode umfaßt, wobei die vertikalen Seiten des Siliziumkarbidsubstrats
lotrecht zu der Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid
und dem Nitrid der Gruppe III verlaufen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Leuchtdiode, welche
ein transparentes (und potentiell eine niedrige Leitfähigkeit
aufweisendes) Siliziumkarbidsubstrat, eine aktive Struktur, welche
aus dem System der Nitridmaterialien der Gruppe III auf dem Siliziumkarbidsubstrat
ausgebildet ist, und jeweilige ohmsche Kontakte an der Oberseite der
Diode umfaßt, wobei das Siliziumkarbidsubstrat bezüglich
der Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid und dem Nitrid
der Gruppe III abgeschrägt ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine LED-Lampe. Die Lampe
umfaßt ein Leitungsgestell, ein transparentes abgeschrägtes
Siliziumkarbidsubstrat auf dem Leitungsgestell, eine aktive Struktur,
welche aus dem System der Nitridmaterialien der Gruppe III auf dem
Siliziumkarbidsubstrat gegenüber dem Leitungsgestell ausgebildet
ist, jeweilige ohmsche Kontakte an der Oberseite der Diode und eine
Polymerlinse über dem Substrat und der aktiven Struktur.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine LED-Lampe. Die Lampe
umfaßt ein Leitungsgestell, ein transparentes abgeschrägtes
Siliziumkarbidsubstrat auf dem Leitungsgestell, eine aktive Struktur,
welche aus dem System der Nitridmaterialien der Gruppe III auf dem
Siliziumkarbidsubstrat gegenüber dem Leitungsgestell ausgebildet
ist, jeweilige ohmsche Kontakte an der Oberseite der Diode, eine
Polymerlinse über dem Substrat und der aktiven Struktur
und einen Leuchtstoff, welcher in der Polymerlinse verteilt ist,
welcher auf das Licht reagiert, welches durch die aktive Struktur
emittiert wird, und welcher in Reaktion darauf eine andere Lichtfarbe
erzeugt.
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Die
vorangehenden und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung und
die Weise, in welcher diese erreicht werden, werden auf Basis der
folgenden genauen Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit
der beigefügten Zeichnung klarer.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Fotografie einer erfindungsgemäßen Diode
in einer Grundrißansichts-Anordnung.
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2 ist
eine zweite Fotografie einer erfindungsgemäßen
Diode in einer Anordnung einer seitlichen Draufsicht.
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen
Diode.
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4 stellt
ein Fernfeldmuster einer Leuchtdiode auf Saphirbasis dar.
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5 stellt
ein Fernfeldmuster für eine erfindungsgemäße
Leuchtdiode dar.
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6 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Stellung eines LED-Chips
in Bezug auf die Meßwerte, welche in den 4 und 5 abgebildet sind,
darstellt.
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7 ist
eine Abbildung eines normalisierten Lichtgewinnungs-Wirkungsgrads,
welche den relativen Wirkungsgrad zweier verschiedener LED-Chip-Architekturen
vergleicht.
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8 ist
ein schematisches Diagramm einer LED-Lampe, welche eine erfindungsgemäße
Diode enthält.
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9 ist
ein schematisches Diagramm einer Anzeigevorrichtung, welche erfindungsgemäße
Dioden enthält.
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10 ist
eine Wiedergabe einer Version des CIE-Farbskaladiagramms.
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Genaue Beschreibung
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1 ist
eine Fotografie einer erfindungsgemäßen Diode,
welche allgemein mit 10 bezeichnet ist, in Grundrißansicht. 1 stellt
die Oberseite 11 der Diode dar, welche typischerweise aus
einem der Nitride der Gruppe III ausgebildet ist. Aus einer Anzahl
wohlbegründeter und gut verstandener Gründe werden
Epitaxialschichten verwendet, um pn-Übergänge
auszubilden und Rekombinationen (und somit Photonen) in Nitridmaterialien
der Gruppe III zu erzeugen. Diese Materialien umfassen typischerweise Galliumnitrid
(GaN), Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), Indium-Gallium-Nitrid (InGaN)
und in manchen Fällen Indium-Aluminium-Gallium-Nitrid (InAlGaN).
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Das
System der Nitridmaterialien der Gruppe III ist im Zusammenhang
mit Dioden generell gut verstanden. Insbesondere kann Indium-Gallium-Nitrid aufgrund
der Tatsache, daß die Wellenlänge der emittierten
Photonen in gewissem Umfang durch den atomaren Anteil von Indium
in dem Kristall gesteuert werden kann, ein bevorzugtes Material
für eine oder mehrere der Schichten in der aktiven Struktur
einer Diode darstellen. Diese Abstimmungseignung ist jedoch beschränkt,
da beim Erhöhen der Menge von Indium in dem Kristall die
Tendenz besteht, dessen chemische Stabilität zu vermindern.
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Andere Überlegungen
im Hinblick auf das Materialsystem umfassen sowohl die Kristallstabilität und
die Gitteranpassung als auch die Stabilität, verschiedenen
Schritten zu widerstehen, wobei dies Schritte höherer Temperatur
während der Verarbeitung der Diode zu einer Lampe oder
einer anderen Endverwendung umfaßt. Diese Überlegungen
sind in diesem Gebiet der Technik gleichfalls gut verstanden und
werden in der vorliegenden Schrift nicht im Detail erörtert.
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1 stellt
ferner die jeweiligen ohmschen Kontakte 12 und 13 dar.
Bei der Erfindung sind diese ohmschen Kontakte beide von der Diode
aus in die gleiche Richtung gewandt (und werden somit manchmal als „Oberseitenkontakte” oder „seitliche
Kontakte” bezeichnet). Das Anordnen der Kontakte auf der gleichen
Seite der Vorrichtung kann die Spannung in Durchlaßrichtung
der resultierenden Vorrichtung durch Entfernen der heterogenen Grenzfläche
(beispielsweise der Grenzfläche von SiC zu GaN) aus dem
Stromflußweg vermindern. Diese niedrigere Spannung kann
für manche LED-Anwendungen vorteilhaft sein. Aufgrund der
Tatsache, daß jeder jeweilige Kontakt einen anderen Abschnitt
der Diode berührt (speziell einen Abschnitt des n-Typs
bzw. einen Abschnitt des p-Typs), können die Kontakte 12 und 13 jedoch
geringfügig vertikal gegeneinander versetzt sein (beispielsweise
in 3). Bei den beispielhaften Ausführungsbeispielen
sind die ohmschen Kontakte aus der Gruppe ausgewählt, welche
aus Gold, Gold-Zinn, Gold-Nickel, Platin, Nickel, Aluminium, Indium-Zinn-Oxid
(ITO), Chrom und Kombinationen davon besteht.
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Durch
Anordnen beider Kontakte 12 und 13 auf Schichten
aus Nitriden der Gruppe III kann die Erfindung die Spannung (Vf) in Durchlaßrichtung vermindern,
welche in einer vertikal angeordneten Diode andernfalls über
die Grenzfläche zwischen Silizium und dem Nitrid der Gruppe
III hinweg wirken müßte.
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2 ist
eine Fotografie der Diode 10 in seitlicher Draufsicht.
Die Auflösung von 2 ermöglicht keine
Unterscheidung zwischen Epitaxialschichten, und demgemäß ist
der aktive Abschnitt durch die klammerförmigen Pfeile 15 gekennzeichnet. Ähnlich sind
die Kontakte 12 und 13 in 2 nicht
deutlich dargestellt.
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht, welche generell gleich angeordnet
ist wie 2. Diese umfaßt demgemäß das
abgeschrägte Siliziumkarbidsubstrat 14, den aktiven
Bereich 15 und die ohmschen Kontakte 12 und 13.
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Das
Siliziumkarbidsubstrat 14 ist im wesentlichen transparent.
Gemäß Verwendung in der vorliegenden Schrift wird das
Substrat als transparent erachtet, wenn die damit verbundenen Absorptionsverluste
weniger als 10% und vorzugsweise weniger als 5% betragen. Um die
Transparenz zu steuern, wird die Dotierung auf ein Ausmaß vermindert
(bzw. werden gar keine Dotierungsmittel eingeführt), welches als
halbisolierend oder isolierend erachtet wird. Die Ausdrücke
von halbisolierend und isolierend werden tendenziell qualitativ
anstatt im Sinne exakter Zahlen verwendet, doch weisen halbisolierende
Siliziumkarbidkristalle, Substrate oder Epitaxialschichten generell
eine Gesamt-Ladungsträgerdotierung von nicht mehr als etwa
7·1017 cm–3 auf
und weisen einen Widerstandswert von mindestens etwa 0,10 Ohmzentimeter
(Ω·cm) auf. Bei den beispielhaften Ausführungsbeispielen
weist das Siliziumkarbidsubstrat einen Widerstandswert von mindestens
0,15 oder 0,2 oder sogar 0,3 Ω·cm auf.
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Die
Herstellung von Siliziumkarbidkristallen, wobei dies Kristalle umfaßt,
welche diese Eigenschaften aufweisen, ist beispielsweise in Nr.
RE 34,861 und deren Stammschrift Nr. 4,866,005 dargelegt. Die Herstellung
von SiC-Kristallen, welche halbisolierende Eigenschaften aufweisen,
ist in den Nummern 6,218,680, 6,403,982, 6,396,080 und 6,639,247
dargelegt. Der Inhalt davon ist durch Verweis vollständig
in der vorliegenden Schrift aufgenommen. Ferner kann transparentes
Siliziumkarbid durch Verfahren wie die in den Nummern 6,200,917, 5,723,391
und 5,762,896 dargelegten, deren Inhalt jeweils gleichfalls durch
Verweis vollständig in der vorliegenden Schrift aufgenommen
ist, hergestellt werden.
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Der
Winkel des abgeschrägten Substrats ist in 3 durch
den Buchstaben Theta (Θ) bezeichnet und ist geeignet ausgewählt,
um die interne Reflexion zu minimieren und somit die externe Quantenausbeute
gemäß den gut verstandenen Prinzipien des snelliusschen
Brechungsgesetzes zu maximieren. Demgemäß ist
der Winkel Θ größer als 0° und
kleiner als 90°, gemessen bezüglich der Grenzfläche
zwischen dem Siliziumkarbidsubstrat und der aktiven Struktur aus
Nitriden der Gruppe III, wobei jedoch Winkel zwischen etwa 45° und
75° für diesen Zweck am nützlichsten
sind. Die abgeschrägte Kante kann durch Ätzen,
Sägen, Laserschneiden oder eine beliebige andere herkömmliche
Technik, welche ansonsten keine Störungen der restlichen
Struktur oder der Funktion der Diode bewirkt, hergestellt werden.
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3 stellt
ferner die jeweiligen Epitaxialschichten 16 und 17 aus
Nitridmaterialien der Gruppe III dar. Es sind zwei Schichten in Übereinstimmung mit
der Grundstruktur eines pn-Übergangs dargestellt, doch
ist zu ersehen, daß zusätzliche Schichten aufgenommen
werden können. Beispielsweise kann eine Schicht des p-Typs
mit höherer Leitfähigkeit aufgenommen werden,
um die Leistung des ohmschen Kontakts zu der Schicht des p-Typs
zu verbessern, oder es können zusätzliche Schichten
für funktionale Zwecke, wie etwa einfache oder mehrfache
Quantenkäfige oder Supergitterstrukturen aufgenommen werden.
Diese sind gleichfalls gut verstanden und brauchen nicht im Detail
erörtert zu werden, um die vorliegende Erfindung zu verstehen.
Wie in 1 dargestellt, ist der ohmsche Kontakt 12 an
der Schicht 17 des n-Typs angebracht, während
der ohmsche Kontakt 13 an der Schicht 16 des p-Typs angebracht
ist. Wie schematisch in 3 dargestellt und besser aus 1 ersichtlich,
umfaßt der ohmsche Kontakt 13 Stromverteilungsabschnitte 20 und 21,
um dessen Leistung an der Schicht des p-Typs zu steigern.
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Durch
Aufnehmen des transparenten Siliziumkarbidsubstrats 14 schafft
die Erfindung ein Substrat, welches ideal für Lichtgewinnungszwecke
ist, welches auch die Wärmeableitungsvorteile von Siliziumkarbid
(beispielsweise im Vergleich zu Saphir) und bessere Kristallanpassungseigenschaften
zwischen dem Substrat und den Epitaxialschichten (wiederum typischerweise
im Vergleich zu Saphir) liefert.
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Wichtiger
ist vielleicht, daß die resultierende Vorrichtung als „leuchtstark” eingestuft
werden kann, jedoch wesentlich einfacher als andere leuchtstarke Dioden
hergestellt werden kann. Obgleich der Ausdruck „leuchtstark” naturgemäß qualitativ
ist, bezieht sich dieser informell auf Dioden, welche unter hellen Umgebungslichtbedingungen,
wie etwa Sonnenlicht oder gut beleuchteten Innenraumumgebungen,
deutlich sichtbar sind. Formaler ausgedrückt, bezieht sich „leuchtstark” bei
LED's, wie etwa den in der vorliegenden Schrift beschriebenen, generell
auf LED's mit einem Strahlungsfluß von mindestens 30 mW
bei einem Betriebsstrom von 30 mA und vorzugsweise mehr als 35 mW
bei einem Betriebsstrom von 20 mA.
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Wie
im Abschnitt des technischen Hintergrunds bemerkt, weisen vertikal
angeordnete Dioden gewisse Vorteile auf, erfordern jedoch bei der
Herstellung eine besondere Genauigkeit der Anordnung in Richtung
von vorne nach hinten, was eine relativ schwierige Aufgabe ist.
Im Vergleich weisen erfindungsgemäße Dioden (welche,
wie viele andere Typen von LED's, typischerweise in großer
Anzahl auf generell kreisförmigen Wafern ausgebildet werden) sämtliche
Bauteile davon auf einer Seite des Wafers anstatt auf zwei Seiten
auf. Infolgedessen können diese einfacher hergestellt werden
als vertikale Dioden mit ähnlichen Leuchtstärkeeigenschaften.
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Als
weiterer Vorteil kann die relativ hohe Leuchtstärke ohne
Verwendung einer Spiegeltechnik erreicht werden.
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Die 4 und 5 stellen
Fernfeldmuster von Leuchtdiodenchips dar, welche in einer zusammenhängenden
Sphäre gemessen wurden (Labsphere, Seite 11 oben). 4 stellt
das Fernfeldmuster einer Leuchtdiode aus Nitriden der Gruppe III
auf einem Saphirsubstrat mit einer generell herkömmlichen
Geometrie (das bedeutet, der eines festen Rechtecks) dar.
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5 stellt
das Fernfeldmuster eines erfindungsgemäß abgeschrägten
Chips mit zwei Oberseitenkontakten dar.
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Die
Muster in den 4 und 5 umfassen
jeweils vier ähnliche Gruppen von Linien. Diese Linien
werden durch viermaliges Abtasten jedes jeweiligen Chips erhalten,
wobei der Chip jedesmal um 90° gegenüber der vorangehenden
(oder einer anderen) Messung gedreht wird. Dies ist schematisch
in 6 dargestellt.
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Bei
dem herkömmlicheren Chip auf Saphirbasis (4)
zeigt das Fernfeldmuster an, daß in sämtlichen
Richtungen eine relativ ähnliche Strahlungsflußmenge
emittiert wird. Bei diesem Chip wird das Fernfeldmuster hauptsächlich
durch die Transparenz des p-Kontaktmaterials und die Abmessungen
des Chips bestimmt. Die Abhängigkeit des Fernfelds von
diesen Parametern ist jedoch relativ schwach, so daß das
Fernfeldmuster des Chips auf Saphirbasis in einem gewissen Maß auf
das in 4 dargestellte festgelegt ist. Dieses Fernfeldmuster kann
natürlich für bestimmte Anwendungen akzeptabel
sein.
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Bei
dem abgeschrägt zugeschnittenen Chip auf SiC-Basis (5)
wird das Fernfeldmuster nicht nur durch die Parameter, welche in
dem vorangehenden Absatz beschrieben wurden, sondern auch durch
die Länge und den Winkel der Abschrägung bestimmt.
Die Abschrägung kann bedarfsgemäß angepaßt
werden, um zu bewirken, daß der Chip relativ mehr bzw.
weniger Licht aus den Seiten des Chips im Verhältnis zur
Oberseite des Chips emittiert. Dies kann bei bestimmten Anwendungen
vorteilhaft sein. Die Abschrägung kann ferner optimiert
werden, um beispielsweise vorzugsweise mehr Licht in Richtung der
langen Ausdehnung eines Chips auf Rechtecksbasis zu emittieren,
verglichen mit dem Licht, welches in Richtung der kurzen Ausdehnung
emittiert wird. Dieses Merkmal des Chips auf SiC-Basis ist in 5 dargestellt.
In diesem Fall sticht die Leistung des Chips durch eine deutlich
größere Lichtgewinnung aus den Seiten der Diode
(in Richtung jeder jeweiligen Ausrichtung von 90 Grad in der grafischen Darstellung)
anstatt lotrecht aus der Diode (null Grad in der grafischen Darstellung)
hervor. Dieser deutliche zusätzliche Proportionalanteil
des Lichts, welches aus den Seiten der Diode emittiert wird, insbesondere
in Verbindung mit einem Leuchtstoff, kann eine günstige
Steigerung beim Umwandeln von blauem Licht in weißes Licht
und eine entsprechende Steigerung der externen Abgabeleistung der
vollständig gepackten LED liefern. Ferner kann das Merkmal
eines „abstimmbaren” Fernfelds erreicht werden,
ohne die Grundausgangsleistung des LED-Chips zu opfern.
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Gemäß Verwendung
in der vorliegenden Schrift wird die Fernfeldemission in Richtung
von –90° bzw. 90° in 4 und 5 als
Seitenkeulenemission bezeichnet. In einer entsprechenden Weise wird
die Emission in Richtung von 0° als Vorwärtsemission
bezeichnet.
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Ein
typischer Aspekt der Vorzüge von LED's ist der Strahlungsfluß,
welcher bei einem festen Eingangsstrom erzeugt wird, wobei 20 mA
eine Industrienorm für LED's darstellen. Bei einem festen
Betriebsstrom wird der Strahlungsfluß hauptsächlich durch
1) die interne Quantenausbeute (IQE) der Epitaxialschichten, 2)
die Chiparchitektur und 3) die Packverfahren bestimmt. Als blaue
LED's allgemeiner verwendet wurden, insbesondere im Hinblick auf die
Erzeugung von weißem Licht durch die Aufnahme eines geeigneten
Leuchtstoffs bei dem Packvorgang, stieg der erforderliche Strahlungsfluß ähnlich
an. Ferner wurden, um die höheren Chipleistungen zu erreichen,
das Epitaxialschichtenwachstum, die Chiparchitekturen und die Packverfahren
entsprechend komplizierter und anspruchsvoller.
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Im
Hinblick auf die Chiparchitektur umfaßt diese Komplexität
die Aufnahme von Spiegeln und Feinstrukturierungen bei der Chipgestaltung.
Es ist vorteilhaft, ein Herstellungsverfahren beizubehalten, welches
so einfach wie möglich ist, da die Aufnahme zusätzlicher
Lichtgewinnungselemente, wie etwa Feinstrukturierungen und Spiegel,
zusätzliche Kosten des Herstellungsverfahrens verursacht.
Der hier beschrieben Chip erreicht die erwünschten hohen Ausgangsleistungen
ohne die Aufnahme kostenverursachender Lichtgewinnungselemente.
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7,
worin die Lichtgewinnungs-Wirkungsgrade von zwei verschiedenen Chiparchitekturen verglichen
werden, stellt dieses günstige Merkmal dar. Für
diese Figur wurden der IQE der Epitaxialschichten und die Packverfahren
unveränderlich beibehalten, so daß die relativen
Wirkungsgrade der Lichtgewinnungstechniken direkt verglichen werden können.
In diesem Fall wird der Lichtgewinnungs-Wirkungsgrad des transparenten,
abgeschrägt zugeschnittenen Chips auf SiC-Basis mit dem
Lichtgewinnungs-Wirkungsgrad eines Chips von ähnlicher
Größe, welcher einen Spiegel als Lichtgewinnungs-Verstärkungselement
verwendet, verglichen. Wie in der Figur zu sehen ist, ist der Lichtgewinnungs-Wirkungsgrad,
welcher in willkürlichen Einheiten dargestellt ist, für
die zwei verschiedenen Chipgeometrien fast der gleiche. Dies ist
insbesondere aufgrund der Tatsache von Bedeutung, daß die Chiparchitektur
für den transparenten Chip kein kompliziertes Lichtgewinnungselement,
wie etwa einen Spiegel, umfaßt.
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Es
sei jedoch bemerkt, daß 7 Dioden nicht
als „besser” oder „schlechter” im
Hinblick auf deren Leistung oder Zweck bewerten soll, sondern aufzeigt,
daß erfindungsgemäße Chips ähnliche Lichtgewinnungs-Wirkungsgrade
liefern können, während die Herstellung gegenüber
anderen Hochleistungschips vereinfacht wird. Ferner leisten die
erfindungsgemäßen Chips dies, wobei diese die
Gelegenheit bieten, die Abgabeleistung mit einem Leuchtstoff in
einer Weise zu steuern, welche eine Verbesserung gegenüber
vorangehenden Versionen darstellt.
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Im
Hinblick auf einen geringfügig unterschiedlichen Zusammenhang
ausgedrückt, stellt 7 dar, daß erfindungsgemäße
Dioden eine ähnliche bzw. verbesserte Lichtgewinnungsleistung
im Vergleich zu verwandten, jedoch unähnlichen und komplexeren
Dioden bieten. Ferner ist das Fernfeldmuster, welches mit erfindungsgemäßen
Dioden verbunden ist, durch eine geeignete Chipgestaltung, welche
die Dicke, den aktiven Bereich und die Geometrie und die Formgebung
umfaßt, einstellbar.
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8 stellt
die Diode 10 im Zusammenhang einer LED-Lampe dar, welche
allgemein durch 24 bezeichnet ist. Es sei bemerkt, daß 8 schematisch und
nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist und daß insbesondere
die Größe der Diode 10 in Vergleich zu der
gesamten Lampe 24 übertrieben dargestellt ist.
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Zusätzlich
zu den Elementen, welche bei der Diode gemäß 3 beschrieben
wurden (welche die gleichen Bezugsziffern aufweisen wie in 3),
umfaßt die Lampe 24 die Linse 25, welche
typischerweise aus einem Polymer ausgebildet ist. Aufgrund der Wellenlängen,
welche durch die Diode 10 emittiert werden, sollte das
Polymer der Linse 25 derart ausgewählt werden,
daß dieses relativ unempfindlich gegenüber dem
emittierten Licht ist. Bestimmte Harze auf Polysiloxanbasis (häufig
als „Silikonharze” bezeichnet) sind aufgrund der
Tatsache, daß diese nicht annähernd so anfällig
für photochemische Zersetzung wie andere Polymere sind,
für die Linse geeignet. Generell und gemäß Verwendung
in der vorliegenden Schrift bezeichnet der Ausdruck Polysiloxan jegliches
Polymer, welches auf einem Gerüst aus -(-Si-O-)n- aufgebaut ist (typischerweise mit organischen
Seitengruppen).
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Die
Lampe 24 umfaßt ferner den Leuchtstoff, welcher
als punktierte Ellipse 26 dargestellt ist. Es sei wiederum
bemerkt, daß dies eine schematische Darstellung ist und
daß die spezielle Position des Leuchtstoffs 26 auf
eine Anzahl von Zwecken abgestimmt werden kann bzw. in manchen Fällen
gleichmäßig in der gesamten Linse 25 verteilt
werden kann. Ein gewöhnlicher und allgemein erhältlicher
gelber Umwandlungsleuchtstoff wird aus YAG (Yttrium-Aluminium-Granat)
hergestellt, und wenn die Harze auf Silikonbasis gemäß obiger
Beschreibung verwendet werden, ist eine mittlere Partikelgröße
von etwa sechs Mikrometer (die größte Ausdehnung
in Verlauf durch das Partikel) geeignet. Andere Leuchtstoffe können
durch Fachkundige ohne übermäßiges Experimentieren
ausgewählt werden.
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Die
Lampe 24 umfaßt ein Leitungsgestell, welches schematisch
bei 27 dargestellt ist, mit geeigneten externen Leitungen 30 und 31.
Der ohmsche Kontakt 12 ist durch einen Draht 32 mit
den externen Leitungen 31 verbunden, und der ohmsche Kontakt 13 ist
durch den entsprechenden Draht 31 entsprechend mit der
externen Leitung 30 verbunden. Diese sind wiederum schematisch
dargestellt, und es ist zu ersehen, daß diese Elemente
in einer Weise angeordnet sind, welche jeglichen Kurzschluß zwischen den
ohmschen Kontakten 12, 13, den Drähten 32, 33 oder
den jeweiligen externen Leitungen 30, 31 vermeidet.
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9 stellt
schematisch dar, daß die Diode 10 bzw. die Lampe 24 auch
in Anzeigevorrichtungen eingebaut werden können. Anzeigevorrichtungen sind
generell gut verstanden und brauchen in der vorliegenden Schrift
nicht beschrieben zu werden, um Fachkundige über die Vorteile
der Erfindung zu informieren. In einigen Fällen kann eine
Diode 10 bzw. eine Lampe 24 gemäß der
vorliegenden Erfindung gemeinsam mit einer Vielzahl jeweiliger roter
und grüner Leuchtdioden in der Anzeigevorrichtung aufgenommen
sein, um eine vollständig farbige Anzeigevorrichtung auf
Basis der roten, grünen und blauen Emissionen zu bilden.
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In
anderen Zusammenhängen kann die erfindungsgemäße
Leuchtstoff enthaltende Lampe 24 verwendet werden, um weißes
Licht als Durchleuchtungslicht für einen anderen Typ einer
Anzeigevorrichtung zu erzeugen. Ein gewöhnlicher Typ einer
Anzeigevorrichtung verwendet Flüssigkristallblenden 34 zum
Erzeugen von Farben auf einem geeigneten Bildschirm 35 aus
dem weißen Durchleuchtungslicht, welches durch die Leuchtdioden
erzeugt wird.
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10 ist
eine Wiedergabe des CIE-Farbskaladiagramms, angegeben in Wellenlänge
(Nanometer) und in den CIE-Farbkoordinaten x und y, gemeinsam mit
der Farbtemperaturkurve. Dieses spezielle Diagramm wurde von Echo
productions, CIE-1931 System, http://www.colorsystem.com/projekte/engt/37ciee.htm,
bei Zugriff im April 2007 übernommen. Das CIE-Diagramm
ist jedoch aus einer Anzahl von Quellen allgemein erhältlich
und durch Fachkundige gut verstanden. Eine weitere Hintergrundserläuterung
ist in Schubert in Abschnitt 11.4 bis 11.8 oben verfügbar.
Die Natur der Leuchtdioden ist derart, daß deren Farbabgabe
als Position in der grafischen Darstellung ausgedrückt
werden kann. Erfindungsgemäße weiße Leuchtdioden
können in einer Vielzahl geeigneter LED-Packungen aufgenommen
werden, wobei dies die relativ ineffiziente „Seitenlicht”-
bzw. „Seitenemissions”-Packung umfaßt, beispielsweise
gemäß der gemeinsam übertragenen und
gemeinsam anhängigen Patentanmeldung der laufenden Nr.
60/745,478, eingereicht am 24. 4. 2006, über „Side-View
Surface Mount White LED”, deren Inhalt durch Verweis vollständig
in der vorliegenden Schrift aufgenommen ist. Bei dieser Packung wird
die Lichtumwandlung von einer bedeutenden Anzahl von Lichtkollisionen
in der Packung begleitet, und ein Photon, welches aus dem Chip emittiert
wird, kann einmal oder öfter von dem Chip reflektiert werden
oder diesen durchlaufen, bevor dieses die Packung verläßt.
Die erfindungsgemäßen weißen LED's sind
aus zwei Gründen speziell für diesen Typ einer
Packung geeignet: 1) emittierte Photonen werden mit geringerer Wahrscheinlichkeit
durch den Chip reabsorbiert, als dies bei ähnlichen Packungen der
Fall ist, welche Chips mit stärker absorbierenden Substraten
umfassen, und 2) kann das Fernfeld durch geeignete Chipgestaltung
und Formgebung eingestellt werden, um den Weißumwandlungs-Wirkungsgrad
und die Lichtgewinnung aus der Packung zu verbessern. Durch Verwenden
von Dioden, wie etwa den hier beschriebenen, in Kombination mit
einem geeigneten Leuchtstoff können Lichtstärken
von mehr als 2,0 Candela (cd) bei einem Betriebsstrom in Durchlaßrichtung
von 20 mA bei CIE-Farbkoordinaten bei bzw. nahe bei 0,3, 0,3 bei
einer Seitenlichtpackung mit einem Industrienorm-Packungs-Fernfeldmuster
erreicht werden. Dies entspricht ferner einer Farbtemperatur von
etwa 7000 Grad. In diesem Fall kann ein Industrienorm-Fernfeld als
eines beschrieben werden, welches bei halber Maximalstärke
eine vollständige Breite von mehr als 110 Grad aufweist. Lichtstärken
für höhere CIE-Koordinaten, schmalere Fernfelder
und breitere Packungen (beispielsweise 0,8 mm) sind entsprechend
höher.
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In
der Zeichnung und der Beschreibung wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargelegt, und obgleich spezielle Ausdrücke verwendet
wurden, wurden diese lediglich in einem allgemeinen und beschreibenden
Sinn und nicht zur Beschränkung verwendet, wobei der Schutzumfang der
Erfindung in den Ansprüchen definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Kapitel 12–14
von Sze, PHYSICS OF SEMICONDUCTOR DEVICES (2. Auflage 1981) [0004]
- - Kapitel 7 von Sze, MODERN SEMICONDUCTOR DEVICE PHYSICS (1998) [0004]
- - Schubert, LIGHT EMITTING DIODES (Cambridge Press 2003) ist
vollständig diesem Thema gewidmet und behandelt in Kapitel
8 [0004]
- - http://www.colorsystem.com/projekte/engt/37ciee.htm, bei Zugriff
im April 2007 [0070]