DE102008033391A1

DE102008033391A1 - Leuchtvorrichtung und Verfahren zur Gruppierung von Strahlung emittierenden Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102008033391A1
Application number: DE102008033391A
Authority: DE
Inventors: Julius Muschaweck
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-01-21
Also published as: TW201013891A; WO2010006586A1

Abstract

In der Patentanmeldung wird eine Leuchtvorrichtung mit einer Mehrzahl von Strahlung emittierenden Halbleiterchips angegeben, die jeweils einen Halbleiterkörper, der Strahlung einer ersten Wellenlänge erzeugt, und jeweils ein Konversionselement, das einen Teil der ursprünglichen Strahlung in Strahlung einer zweiten Wellenlänge und Strahlung einer dritten Wellenlänge umwandelt, aufweisen, wobei sich die Werte der Halbleiterchips für die erste Wellenlänge höchstens um 10 nm, vorzugsweise höchstens um 6 nm, voneinander unterscheiden. Ferner wird ein Verfahren zur Gruppierung von Strahlung emittierenden Halbleiterchips angegeben.

Description

Zur Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen werden zunehmend Leuchtdioden verwendet. Unter anderem finden Leuchtdioden mit Halbleiterkörpern, die blaues Licht emittieren, und Konversionselementen, die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandeln, Verwendung, so dass die Mischung aus blauem und gelbem Licht weißes Licht ergibt. Die Hintergrundbeleuchtung wird dann gefiltert, um die Grundfarben der Pixel, insbesondere Rot, Grün und Blau, zu gewinnen. Die Farbwiedergabequalität von Rot und Grün kann hierbei aufgrund der indirekten Gewinnung aus gelbem Licht gemindert sein.
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, eine Leuchtvorrichtung mit verbesserter Farbwiedergabequalität anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Leuchtvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein effizienteres Verfahren zur Gruppierung von Strahlung emittierenden Halbleiterchips anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Leuchtvorrichtung sowie des Verfahrens zur Gruppierung von Strahlung emittierenden Halbleiterchips sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leuchtvorrichtung eine Mehrzahl von Strahlung emittierenden Halbleiterchips auf. Insbesondere weisen die Halbleiterchips jeweils einen Halbleiterkörper und ein Konversionselement auf. Die Halbleiterkörper sind dazu vorgesehen, Strahlung einer ersten Wellenlänge zu erzeugen. Ein Teil der ursprünglichen Strahlung kann mittels des jeweiligen Konversionselments in Strahlung einer zweiten Wellenlänge und Strahlung einer dritten Wellenlänge umgewandelt werden, so dass im Gesamtspektrum der von den Halbleiterchips abgegebenen Strahlung im Wesentlichen drei Intensitätspeaks auftreten.
Vorzugsweise liegen die erste, zweite und dritte Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Spektrums.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält das Konversionselement zwei verschiedene Sorten von Leuchtstoffen. Insbesondere ist die erste Sorte von Leuchtstoffen zur Umwandlung von Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung der zweiten Wellenlänge und die zweite Sorte zur Umwandlung von Strahlung der ersten Wellenlänge in Strahlung der dritten Wellenlänge geeignet.
Die Leuchtstoffe der ersten und zweiten Sorte weisen bevorzugt einen Stoff aus der Gruppe auf, die durch die folgenden Materialien gebildet wird: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogalate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride.
Die jeweiligen Halbleiterkörper enthalten vorzugsweise ein Nitridverbindungsmaterial. Dies bedeutet, dass eine aktive Epitaxie-Schichtenfolge der Halbleiterkörper oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform emittieren die Halbleiterkörper blaues Licht, wobei die erste Wellenlänge insbesondere Werte zwischen einschließlich 435 nm und 450 nm annimmt.
Weiterhin kann das Konversionselement einen Grünleuchtstoff enthalten, so dass ein Teil des blauen Lichts in grünes Licht umgewandelt wird. Die entsprechende zweite Wellenlänge kann insbesondere Werte zwischen einschließlich 500 nm und 570 nm annehmen.
Als weiteren Leuchtstoff enthält das Konversionselement mit Vorteil einen Rotleuchtstoff, so dass ein weiterer Teil des blauen Lichts in rotes Licht umgewandelt wird. Die entsprechende dritte Wellenlänge kann insbesondere Werte zwischen einschließlich 600 nm und 690 nm annehmen.
Mit Vorteil werden die verschiedenen Strahlungsanteile so bemessen, dass die einzelnen Halbleiterchips weißes Mischlicht emittieren.
Da sich das weiße Mischlicht aus den Grundfarben Blau, Grün und Rot zusammensetzt, kann bei einer Gewinnung der Grundfarben aus dem weißen Mischlicht eine bessere Farbwiedergabequalität erzielt werden als bei einem Mischlicht aus den Komponenten Blau und Gelb.
Es gilt der Zusammenhang, dass der Leuchtstoff, der Strahlung der zweiten Wellenlänge abgibt, stärker angeregt wird, wenn die erste Wellenlänge kleinere Werte annimmt, das heißt insbesondere Werte im Bereich von 435 nm. Nimmt die erste Wellenlänge größere Werte an, ist die Intensität der Strahlung zweiter Wellenlänge abgeschwächt. Die von dem Konversionselement abgegebene Strahlung erfährt daher bei kleineren Werten der ersten Wellenlänge eine leichte Grünverschiebung, bei größeren Werten eine leichte Rotverschiebung.
Es hat sich herausgestellt, dass der Farbort-Wertebereich des Mischlichts eingeschränkt ist, wenn der oben genannte Zusammenhang gilt. Im Vergleich zu Mischlicht, das sich nur aus Strahlung einer ersten Wellenlänge, beispielsweise blauem Licht, und aus Strahlung einer zweiten Wellenlänge, beispielsweise gelbem Licht, zusammensetzt, kann der Farbort-Wertebereich insbesondere in einer ersten Richtung vorteilhaft eingeschränkt werden.
Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Farbort-Wertebereich eingeschränkt ist.
Eine herkömmliche Klassifizierung (sogenanntes „Binning”) von Halbleiterchips in Gruppen verschiendenen Farborts setzt den uneingeschränkten Wertebereich voraus und ist mit einer Unterteilung des Wertebereichs in festgelegte Gruppen (sogenannte „bins”) verbunden. Bei einem eingeschränkten Wertebereich sind jedoch manche Gruppen überzählig.
Mit Vorteil wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine neue Unterteilung angegeben. Die Anzahl der Gruppen kann gegenüber einer herkömmlichen Klassifizierung beibehalten werden. Durch die neue Unterteilung kann jedoch eine Leuchtvorrichtung mit verbesserter Farbqualität und verbesserter Strahlungshomogenität verwirklicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Halbleiterchips nicht nur nach Farbort, sondern auch nach der ersten Wellenlänge klassifiziert. Beispielsweise kann der Wertebereich der ersten Wellenlänge, der sich von 435 nm bis 450 nm erstreckt, in drei Bereiche unterteilt werden. Vorzugsweise erstreckt sich der erste Bereich von 435 nm bis 440 nm, der zweite Bereich von 441 nm bis 445 nm und der dritte Bereich von 446 nm bis 450 nm.
Die neue Unterteilung führt vorteilhafterweise zu einer geringeren Schwankung der ersten Wellenlänge innerhalb einer Gruppe. Insbesondere unterscheiden sich die Werte der ersten Wellenlänge der Halbleiterchips innerhalb einer Gruppe höchstens um 10 nm, vorzugsweise um höchstens 6 nm, voneinander. Bei einer herkömmlichen Unterteilung findet keine Klassifizierung nach der ersten Wellenlänge statt. Daher können sich die Werte der ersten Wellenlänge bei dem genannten Zahlenbeispiel bis zu 15 nm voneinander unterscheiden.
Für die Leuchtvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden mit Vorteil Halbleiterchips einer einzigen Gruppe verwendet, so dass sich die Werte für die erste Wellenlänge höchstens um 10 nm, vorzugsweise um höchstens 6 nm, voneinander unterscheiden. Eine derartige Leuchtvorrichtung weist nicht nur für Rot und Grün eine verbesserte Farbqualität auf, sondern aufgrund der verringerten Schwankung auch für Blau.
Gemäß einer bevorzugten Variante läuft ein Verfahren zur Gruppierung der Strahlung emittierenden Halbleiterchips, die einen wie oben beschriebenen Aufbau aufweisen, so ab, dass die erste Wellenlänge und der Farbort jedes Halbleiterchips bestimmt werden. Weiterhin werden verschiedene Gruppen von Halbleiterchips gebildet, wobei die Halbleiterchips einer Gruppe einen einheitlichen Farbort aufweisen und sich in der ersten Wellenlänge nicht mehr als 10 nm, vorzugsweise nicht mehr als 6 nm, voneinander unterscheiden.
Die Klassifizierung kann neben dem Farbort und der ersten Wellenlänge weitere Kenngrößen berücksichtigen. Beispielsweise kann zusätzlich nach dem Lichtstrom und oder der Vorwärtsspannung klassifiziert werden, so dass die Halbleiterchips einer Gruppe einen einheitlichen Lichtstrom und/oder eine einheitliche Vorwärtsspannung aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung, deren Halbleiterchips sich in der ersten Wellenlänge höchstens um 10 nm, vorzugsweise höchstens um 6 nm, voneinander unterscheiden, wird zunächst eine Gruppierung der Strahlung emittierenden Halbleiterchips nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Dann wird ein Träger mit Halbleiterchips aus nur einer der verschiedenen Gruppen bestückt. Die Bestückung kann zufällig erfolgen.
Bei einer weiteren Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung wird ebenfalls eine Gruppierung der Strahlung emittierenden Halbleiterchips nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Hierbei wird der Träger jedoch mit Halbleiterchips aus verschiedenen Gruppen bestückt, wobei die Halbleiterchips aus den verschiedenen Gruppen regelmäßig über den Träger verteilt sind. Zwar kann die erste Wellenlänge hierbei stärker schwanken als bei der vorgenannten Variante. Durch die regelmäßige Anordnung der Halbleiterchips aus verschiedenen Gruppen kann jedoch über die Fläche der Leuchtvorrichtung hinweg ein Ausgleich erzielt werden, so dass insgesamt eine relativ gute Strahlungshomogenität erzielt werden kann.
Nähere Erläuterungen zu der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der 1 bis 3 gegeben.
Es zeigen:
1 und 2 ein erstes und zweites Schaubild darstellend das Gesamtspektrum von weißem Mischlicht bei verschiedenen Wellenlängen des blauen Lichts,
3 ein CIE XY-Diagramm darstellend den Farbort von weißem Mischlicht bei verschiedenen Wellenlängen des blauen Lichts und zwei verschiedenen Arten von Halbleiterchips.
1 zeigt das Gesamtspektrum W von weißem Mischlicht, das von einem Strahlung emittierenden Halbleiterchip emittiert wird. Der Halbleiterchip weist einen Halbleiterkörper zur Erzeugung von Strahlung einer ersten Wellenlänge, insbesondere blauem Licht, und ein Konversionselement zur Umwandlung eines Teils der ursprünglichen Strahlung in Strahlung einer zweiten Wellenlänge, insbesondere grünes Licht, und in Strahlung einer dritten Wellenlänge, insbesondere rotes Licht, auf.
Wie aus dem Schaubild hervorgeht, weist das Gesamtspektrum W bei einer Wellenlänge λ von etwa 435 nm einen ersten Intensitätspeak auf. Die Kurve B, welche die spektrale Verteilung des blauen Lichts darstellt, weist an derselben Stelle ein Maximum auf. Das Mischlicht enthält also blaues Licht mit einer ersten Wellenlänge von λ ≈ 435 nm. Das Gesamtspektrum W sowie die spektrale Verteilung des blauen Lichts werden durch Messungen am Halbleiterchip ermittelt.
Die Kurve L hingegen, welche die spektrale Verteilung der von dem Konversionselement abgegebenen Strahlung darstellt, ergibt sich aus der Differenz des Gesamtspektrums W und der spektralen Verteilung des blauen Lichts.
Das Gesamtspektrum W sowie die Kurve L weisen bei einer Wellenlänge von etwa 530 nm einen Intensitätspeak auf. Ein weiterer Intensitätspeak tritt bei einer Wellenlänge von etwa 650 nm auf. Der Intensitätspeak bei etwa 530 nm wird durch den in dem Konversionselement enthaltenen Grünleuchtstoff, der Intensitätspeak bei etwa 650 nm durch den in dem Konversionselement enthaltenen Rotleuchtstoff hervorgerufen.
Im Vergleich hierzu zeigt 2 das Gesamtspektrum W eines Halbleiterchips mit einem Halbleiterkörper, der blaues Licht mit einer längeren ersten Wellenlänge im Bereich von 450 nm emittiert. Wie aus dem Schaubild hervorgeht, führt die größere Wellenlänge zu einer Verringerung der Intensität des grünen Lichts im Verhältnis zum roten Licht. Dies liegt am Absorptionsspektrum des Grünleuchtstoffs, der insbesondere bei einer Wellenlänge von etwa 435 nm einen maximalen Absorptionsgrad aufweist. Bei einer Wellenlänge von 450 nm ist somit der Absorptionsgrad geringer. Die von dem Grünleuchtstoff abgegebene Strahlung weist daher eine geringere Intensität auf.
Folglich erfährt das von dem Konversionselement abgegebene gelbe Licht, das eine Mischung aus grünem und rotem Licht ist, bei einer kürzeren Wellenlänge des blauen Lichts eine leichte Grünverschiebung, während es bei einer längeren Wellenlänge des blauen Lichts eine leichte Rotverschiebung erfährt.
Dieser Zusammenhang und die Konsequenzen daraus werden durch das Schaubild der 3 verdeutlicht.
Die Verbindungslinien I, II, III, IV und V verbinden zueinander gehörende Wertepaare miteinander. Die Werte des blauen Spektralbereichs B sind jeweils mit Werten des gelben Spektralbereichs Y verbunden. Das gelbe Licht ergibt sich durch Mischung des grünen und roten Lichts, welches jeweils aus dem blauen Licht durch entsprechende Konversion erzeugt wird.
Aus dem Diagramm geht hervor, dass durch blaues Licht kürzerer Wellenlängen gelbes Licht kürzerer Wellenlängen erzeugt werden kann, während durch blaues Licht größerer Wellenlängen gelbes Licht größerer Wellenlängen erzeugt wird.
Das weiße Mischlicht, das aus dem jeweiligen blauen und gelben Licht erzeugt wird, weist verschiedene Farborte auf. Die Farborte liegen innerhalb eines gestrichelt dargestellten Wertebereichs A, der in einer Ebene liegt, welche durch eine erste Richtung a und eine zweite Richtung b aufgespannt wird.
Der Farbort-Wertebereich A des Mischlichts stellt den uneingeschränkten Wertebereich dar, der in der ersten Richtung a durch die beiden Verbindungslinien VI und VII begrenzt wird. Die Verbindungslinien VI und VII ergeben sich bei Halbleiterchips, bei welchen das blaue Licht mittels eines Gelbleuchtstoffs konvertiert wird. Hierbei weist das erzeugte gelbe Licht sowohl bei kürzerwelligem als auch bei längerwelligem blauem Anregungslicht im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge auf.
Der eingeschränkte Farbort-Wertebereich, der bei Halbleiterchips mit Grün- und Rotleuchtstoff auftritt, wird in der ersten Richtung a durch die Verbindungslinien I und V begrenzt. Die Ausdehnung des eingeschränkten Farbort-Wertebereichs ist insbesondere in der ersten Richtung a gegenüber dem uneingeschränkten Wertebereich verringert.
Aufgrund des in der ersten Richtung a eingeschränkten Farbort-Wertebereichs kann beispielsweise entlang der ersten Richtung a auf eine Unterteilung des Wertebereichs verzichtet werden. Stattdessen kann mit Vorteil eine Unterteilung des Wertebereichs des blauen Lichts vorgenommen werden. Dadurch kann die Schwankung der Wellenlänge des blauen Lichts in einer Gruppe verringert werden. Im Gegensatz hierzu wird herkömmlicherweise eine Unterteilung des uneingeschränkten Farbort-Wertebereichs A in der ersten Richtung a vorgenommen und auf eine Unterteilung des Wertebereichs des blauen Lichts verzichtet.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Leuchtvorrichtung mit einer Mehrzahl von Strahlung emittierenden Halbleiterchips aufweisend – jeweils einen Halbleiterkörper, der Strahlung einer ersten Wellenlänge erzeugt, – jeweils ein Konversionselement, das einen Teil der ursprünglichen Strahlung in Strahlung einer zweiten Wellenlänge und Strahlung einer dritten Wellenlänge umwandelt, wobei sich die Werte der ersten Wellenlänge der Halbleiterchips höchstens um 10 nm, vorzugsweise höchstens um 6 nm, voneinander unterscheiden.
Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Wellenlänge Werte zwischen einschließlich 435 nm und 450 nm annimmt.
Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Wellenlänge Werte zwischen einschließlich 500 nm und 570 nm annimmt.
Leuchtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Wellenlänge Werte zwischen einschließlich 600 nm und 690 nm annimmt.
Leuchtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weißes Licht emittiert.
Verfahren zur Gruppierung von Strahlung emittierenden Halbleiterchips, die jeweils einen Halbleiterkörper, der Strahlung einer ersten Wellenlänge erzeugt, und jeweils ein Konversionselement, das einen Teil der ursprünglichen Strahlung in Strahlung einer zweiten Wellenlänge und Strahlung einer dritten Wellenlänge umwandelt, aufweisen, mit den Schritten: – Bestimmen der ersten Wellenlänge jedes Halbleiterchips, – Bestimmen des Farborts jedes Halbleiterchips, – Bilden verschiedener Gruppen von Halbleiterchips, wobei die Halbleiterchips einer Gruppe einen einheitlichen Farbort aufweisen und sich in der ersten Wellenlänge nicht mehr als 10 nm, vorzugsweise nicht mehr als 6 nm, voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Halbleiterchips einer Gruppe einen einheitlichen Lichtstrom aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Halbleiterchips einer Gruppe eine einheitliche Vorwärtsspannung aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den Schritten: – Gruppierung von Strahlung emittierenden Halbleiterchips nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bis 8, – Bestücken eines Trägers mit Halbleiterchips aus nur einer der verschiedenen Gruppen.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung, mit den Schritten: – Gruppierung von Strahlung emittierenden Halbleiterchips nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bis 8, – Bestücken eines Trägers mit Halbleiterchips aus den verschiedenen Gruppen, wobei die Halbleiterchips aus den verschiedenen Gruppen regelmäßig über den Träger verteilt sind.