DE19962765A1 - Phosphor-LED zum Kompensieren eines unzureichenden Anteils von rotem Licht - Google Patents

Abstract

Ein lichtemittierendes Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements verwenden ein zusätzliches Fluoreszenzmaterial, das eine sekundäre Lichtstrahlung in dem roten Spektralbereich des sichtbaren Lichtspektrums abstrahlt, um die rote Farbkomponente der zusammengesetzten Ausgangslichtstrahlung zu erhöhen. Die sekundäre Lichtstrahlung aus dem zusätzlichen Fluoreszenzmaterial ermöglicht, daß das Bauelement eine "weiße" Ausgangslichtstrahlung erzeugt, die hinsichtlich der Farbe für Echtfarbwiedergabeanwendungen sehr ausgeglichen ist. Das zusätzliche Fluoreszenzmaterial ist in einer Fluoreszenzschicht aufgenommen, die zwischen einem Chip und einer Linse des Bauelements positioniert ist. Der Chip ist vorzugsweise ein GaN-basierter Chip, der Lichtstrahlung mit einer Spitzenwellenlänge von 470 nm emittiert. Die Fluoreszenzschicht umfaßt ferner ein Hauptfluoreszenzmaterial. Das Hauptfluoreszenzmaterial ist vorzugsweise ein Zermetall-aktiviertes und Gadolinium-dotiertes YAG-Phosphormaterial. Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zusätzliche Fluoreszenzschicht eine Verbindung, die durch Dotieren des CE:YAG-Phosphormaterials mit dreiwertigen Ionen von Praseodym (Pr) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf lichtemittierende Dioden und insbesondere auf eine lichtemittierende Phos­ phor-Diode.

Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind bekannte Festkörperbau­ elemente, die Licht mit einer Spitzenwellenlänge in einem spezifischen Bereich des Lichtspektrums erzeugen können. LEDs werden typischerweise als Beleuchtungseinrichtungen, Anzeigeeinrichtungen und Displays verwendet. Üblicherweise emittieren die wirksamsten LEDs Licht mit einer Spitzenwel­ lenlänge in dem roten Bereich des Lichtspektrums, d. h. rotes Licht. Es ist neuerdings jedoch ein LED-Typ, der auf Galli­ um-Nitrid (GaN) basiert, entwickelt worden, der Licht mit einer Spitzenwellenlänge in dem blauen Bereich des Spek­ trums, d. h. blaues Licht, wirksam emittieren kann. Dieser neue LED-Typ kann eine deutlich hellere Lichtausgabe als herkömmliche LEDs liefern.

Da das blaue Licht eine kürzere Wellenlänge als das rote Licht aufweist, kann außerdem das blaue Licht, das durch die GaN-basierten LEDs erzeugt wird, ohne weiteres umgewandelt werden, um Licht mit einer längeren Wellenlänge zu erzeugen. Es ist im Stand der Technik bekannt, daß Lichtstrahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge (die "primäre Lichtstrah­ lung") unter Verwendung eines als Fluoreszenz bekannten Pro­ zesses in Lichtstrahlung mit einer längeren Spitzenwellen­ länge (die "sekundäre Lichtstrahlung") umgewandelt werden kann. Der Fluoreszenzprozeß umfaßt das Absorbieren der pri­ mären Lichtstrahlung durch ein photolumineszentes Phosphor­ material, wodurch die Atome des Phosphormaterials anregt werden und die sekundäre Lichtstrahl emittiert wird. Die Spitzenwellenlänge der sekundären Lichtstrahlung wird von dem Phosphormaterial abhängen. Der Typ des Phosphormaterials kann gewählt werden, damit die sekundäre Lichtstrahlung eine bestimmte Spitzenwellenlänge aufweist. Eine LED, die den Fluoreszenzprozeß verwendet, wird hierin als eine "Phos­ phor-LED" definiert.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine im Stand der Technik be­ kannte Phosphor-LED 10 gezeigt. Die LED 10 umfaßt einen GaN-Chip 12, der eine blaue primäre Lichtstrahlung erzeugt, wenn derselbe aktiviert ist. Der GaN-Chip 12 ist auf einem Reflektorschalenanschlußleitungsrahmen 14 positioniert und elektrisch mit Anschlußleitungen 16 und 18 gekoppelt. Die Anschlußleitungen 16 und 18 leiten elektrische Leistung zu dem GaN-Chip 12. Der GaN-Chip 12 ist von einer Schicht 20 bedeckt, die ein Fluoreszenzmaterial 22 aufweist. Der Typ des Fluoreszenzmaterials, der verwendet wird, um die Schicht 20 zu bilden, kann abhängig von der gewünschten spektralen Verteilung der sekundären Lichtstrahlung, die von dem Fluo­ reszenzmaterial 22 erzeugt werden wird, variieren. Der GaN- Chip 12 und die Fluoreszenzschicht 20 sind von einer Linse 24 eingekapselt. Die Linse 24 ist typischerweise aus einem transparenten bzw. lichtdurchlässigen Epoxidharz herge­ stellt.

Während des Betriebs wird elektrische Leistung zu dem GaN- Chip 12 zugeführt, um den GaN-Chip zu aktivieren. Wenn der GaN-Chip 12 aktiviert ist, emittiert derselbe die primäre Lichtstrahlung, d. h. blaues Lieht, von der Oberseite des GaN-Chips 12 weg. Ein Teil der emittierten primären Licht­ strahlung wird von dem Fluoreszenzmaterial 22 in der Schicht 20 absorbiert. Das Fluoreszenzmaterial 22 emittiert dann als Antwort auf die Absorption der primären Lichtstrahlung die sekundäre Lichtstrahlung, d. h. die umgewandelte Lichtstrah­ lung, die eine längere Spitzenwellenlänge aufweist. Der restliche, nicht-absorbierte Teil der emittierten primären Lichtstrahlung wird zusammen mit der sekundären Lichtstrah­ lung durch die Fluoreszenzschicht 20 durchgelassen. Die Lin­ se 24 richtet die nicht-absorbierte primäre Lichtstrahlung und die sekundäre Lichtstrahlung in einer allgemeinen Rich­ tung, die durch den Pfeil 26 angegeben ist, als Ausgangs­ lichtstrahlung aus. Folglich ist die Ausgangslichtstrahlung eine zusammengesetzte Lichtstrahlung, die aus der primären Lichtstrahlung, die von dem GaN-Chip 12 emittiert wird, und der sekundären Lichtstrahlung, die von der Fluoreszenz­ schicht 20 emittiert wird, zusammengesetzt ist.

Die Ausgangslichtstrahlung kann eine spektrale Verteilung aufweisen, so daß dieselbe als "weiße" Lichtstrahlung er­ scheint. Die Farbzusammensetzung der ausgegebenen Licht­ strahlung wird abhängig von den spektralen Verteilungen und Intensitäten der sekundären Lichtstrahlung und der primären Lichtstrahlung variieren.

Die PCT-Anmeldung Nr. PCT/JP97/02610 von Shimizu u. a. be­ schreibt verschiedene Phosphor-LEDs, die weiße Ausgangs­ lichtstrahlung mit einer Farbtemperatur irgendwo zwischen 5000 bis 6000 Grad Kelvin erzeugen. Die LEDs von Shimizu u. a. sind prinzipiell mit der LED 10 von Fig. 1 identisch. Bei einem Ausführungsbeispiel verwendet die LED von Shimizu u. a. YAG-Phosphor (YAG = Yttrium-Aluminium-Granat), um einen Teil der primären Lichtstrahlung in eine sekundäre Licht­ strahlung mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 580 nm umzu­ wandeln. Die spektrale Verteilung 28 der Lichtstrahlung, die aus der LED von Shimizu u. a. ausgegeben wird, ist in Fig. 2 dargestellt. Die spektrale Verteilung 28 weist zwei Spitzen 30 und 32 auf. Die Spitze 30 wird überwiegend durch die pri­ märe Lichtstrahlung verursacht, die aus dem GaN-Chip der LED von Shimizu u. a. emittiert wird. Die Spitze 32 wird überwie­ gend durch die zweite Lichtstrahlung hervorgerufen, die aus dem YAG-Phosphor emittiert wird.

Bei der LED von Shimizu u. a. ist von Bedeutung, daß die "weiße" Ausgangslichtstrahlung eine unerwünschte bzw. unzu­ reichende Farbbalance für eine Echtfarbenwiedergabe auf­ weist. Die ausgegebene Lichtstrahlung der LED von Shimizu u. a. ist für Anwendungen geeignet, bei denen eine einfache Beleuchtung erforderlich ist. Für Anwendungen jedoch, bei denen eine hochwertige Farbwiedergabe erwünscht ist, ist die ausgegebene Lichtstrahlung in dem roten Bereich des sichtba­ ren Lichtspektrums (der Bereich von 647-700 nm) unzurei­ chend. Wenn diese LED für solche Anwendungen verwendet wird, bewirkt der unzureichende rote Anteil in der ausgegebenen Lichtstrahlung, daß beleuchtete rote Objekte weniger farbin­ tensiv aussehen, als es unter einer weißen Lichtstrahlung mit einer sehr ausgeglichenen Farbcharakteristik der Fall wäre. Insbesondere wenn diese LEDs als Hintergrundbeleuch­ tung für Farbflüssigkristallanzeigen (LCD-Anzeigen) verwen­ det werden, bewirkt die ausgegebene Lichtstrahlung der LED von Shimizu u. a., daß rote Farben nur schwach auf der LCD- Anzeige angezeigt werden. Es kann erforderlich sein, in Ver­ bindung mit der LED von Shimizu u. a. eine separate Quelle für rotes Licht zu verwenden, um den unzureichenden Anteil von rotem Licht in der ausgegebenen Lichtstrahlung, die von der LED von Shimizu u. a. erzeugt wird, zu kompensieren, wo­ durch die Komplexität eines Systems, das die LED von Shimizu u. a. verwendet, vergrößert wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Konzept für eine Phosphor-LED zu schaffen, deren weiße ausgegebene Lichtstrahlung eine sehr ausgeglichene Farbcharakteristik beispielsweise für eine Echtfarbenwiedergabe erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch ein lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1 und Anspruch 14 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Bauelements gemäß An­ spruch 8 gelöst.

Ein lichtemittierendes Bauelement und ein Verfahren zum Her­ stellen des Bauelements verwenden ein zusätzliches Fluores­ zenzmaterial, das eine sekundäre Lichtstrahlung in dem roten Spektralbereich des sichtbaren Lichtspektrums abstrahlt, um die rote Farbkomponente der zusammengesetzten ausgegebenen Lichtstrahlung zu erhöhen. Die sekundäre Lichtstrahlung aus dem zusätzlichen Fluoreszenzmaterial ermöglicht, daß das Bauelement "weiße" Ausgangslichtstrahlung erzeugt, die für Echtfarbenwiedergabeanwendungen sehr ausgeglichene Eigen­ schaften aufweist. Das Bauelement kann beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung für eine Farb-LCD-Anzeige oder als Lichtquelle für einen Farbscanner verwendet werden.

Das lichtemittierende Bauelement ist eine LED, die einen Chip umfaßt, der als Antwort auf ein elektrisches Signal ei­ ne primäre Lichtstrahlung emittiert. Der Chip ist vorzugs­ weise ein GaN-basierter (GaN = Gallium-Nitrid) Chip, der blaue Lichtstrahlung mit einer Spitzenwellenlänge von 470 nm emittiert. Der Chip ist von einer optionalen transparenten Schicht eingekapselt. Die optionale transparente Schicht liefert eine im allgemeinen gleichmäßige Oberfläche für die nächste Schicht. Die optimale transparente Schicht ist vorzugsweise aus einem klaren Harz hergestellt. Die nächste Schicht ist eine Fluoreszenzschicht, die das zusätzliche Fluoreszenzmaterial enthält. Die Fluoreszenzschicht umfaßt ferner das fluoreszente Hauptmaterial, das eine breitbandi­ ge, sekundäre Lichtstrahlung mit einer ersten Spitzenwellen­ länge in dem gelben Bereich des sichtbaren Lichtspektrums abstrahlt. Mit der Fluoreszenzschicht ist eine Linse gekop­ pelt, die wirksam ist, um die Lichtstrahlung aus dem Chip und der Fluoreszenzschicht in einer Richtung auszurichten, die im allgemeinen senkrecht zu der oberen Oberfläche des Chips ist.

Während des Betriebs wird der GaN-Chip durch elektrische Leistung aktiviert, die über Zuleitungen zu dem Chip zuge­ führt wird. Wenn der GaN-Chip aktiviert ist, emittiert der­ selbe die primäre Lichtstrahlung, d. h. blaues Licht, von der oberen Oberfläche des Chips weg. Die emittierte primäre Lichtstrahlung breitet sich durch die optionale transparente Schicht zu der Fluoreszenzschicht aus. Ein Teil der primären Lichtstrahlung trifft auf das fluoreszente Hauptmaterial in der Fluoreszenzschicht auf. Das fluoreszente Hauptmaterial absorbiert die auftreffende primäre Lichtstrahlung und emittiert die sekundäre Lichtstrahlung mit der ersten Spit­ zenwellenlänge. Ein weiterer Teil der primären Lichtstrah­ lung trifft auf dem zusätzlichen Fluoreszenzmaterial in der Fluoreszenzschicht auf. Das zusätzliche Fluoreszenzmaterial absorbiert die auftreffende primäre Lichtstrahlung und emit­ tiert die sekundäre Lichtstrahlung mit der zweiten Spitzen­ wellenlänge in dem roten Spektralbereich des sichtbaren Lichtspektrums. Ein Teil der primären Lichtstrahlung wird jedoch weder durch das fluoreszente Hauptmaterial noch durch das zusätzliche Fluoreszenzmaterial absorbiert. Die Menge der primären Lichtstrahlung, die nicht von der Fluoreszenz­ schicht absorbiert werden wird, ist eine Funktion mehrerer Variablen. Diese Variablen sind u. a. die Dicke der Fluores­ zenzschicht und die Dichte des Fluoreszenzmaterials in der Schicht.

Die nicht-absorbierte primäre Lichtstrahlung und die zwei sekundären Lichtstrahlungen breiten sich durch die Linse der LED aus. Die Linse richtet die sich ausbreitenden Licht­ strahlungen im allgemeinen in der Richtung aus, die senk­ recht zu der oberen Oberfläche des Chips ist. Die sich aus­ breitenden Lichtstrahlungen treten als die weiße Ausgangs­ lichtstrahlung aus der Linse aus. Die Farbzusammensetzung der weißen Ausgangslichtstrahlung hängt von den Intensitäten und den spektralen Verteilungen der austretenden Lichtemis­ sionen ab.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das fluoreszente Hauptmaterial Ce-aktiviertes (Ce = Zermetall) und Gd-dotiertes (Gd = Gadolinium) YAG-Phosphor ("Ce : YAG- Phosphor"; YAG = Yttrium-Aluminium-Granat), während das zusätzliche Fluoreszenzmaterial ein chemisch-verändertes Ce : YAG-Phosphormaterial ist. Das chemisch-veränderte Ce : YAG-Phosphormaterial ist eine Verbindung, die durch Do­ tieren des Ce : YAG-Phosphormaterials mit dreiwertigen Pr-Io­ nen (Pr = Praseodym) erzeugt wird.

Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Hauptfluoreszenzmaterial auch das Ce : YAG-Phosphormaterial. Das zusätzliche Fluoreszenzmaterial ist jedoch Eu-aktivier­ tes (Eu = Europium) SrS-Phosphormaterial ("Eu : SrS"; SrS = Strontium-Sulphide). Die Menge des Eu : SrS-Phosphormaterials ist vorzugsweise etwa gleich oder weniger als 10% des Phos­ phorgesamtgewichts in der Fluoreszenzschicht. Die Menge des Eu : SrS-Phosphormaterials in der Fluoreszenzschicht kann ab­ hängig von dem Anteil der roten Farbe, der in der weißen ausgegebenen Lichtstrahlung erforderlich sein kann, variie­ ren. Die exakte Menge des Eu : Srs-Phosphormaterials stellt für die vorliegende Erfindung jedoch keine kritische Eigen­ schaft dar.

Das Verfahren zum Herstellen des Bauelements gemäß der vor­ liegenden Erfindung umfaßt einen Schritt, bei dem eine Lichtquelle vorgesehen wird, die eine primäre Lichtstrahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert. Vorzugsweise ist die Lichtquelle ein GaN-Chip, der die primäre Licht­ strahlung mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 470 nm emit­ tiert. Als nächstes wird eine erste Schicht aus einem trans­ parenten Harz über der Lichtquelle aufgebracht, die eine Einkapselungsschicht bildet. Bei einem weiteren Schritt wird ein Phosphor-Harz-Gemisch hergestellt. Das Phosphor-Harz-Ge­ misch umfaßt zwei Fluoreszenzmaterialien, die mit einer Harzpaste kombiniert werden. Das erste Fluoreszenzmaterial hat die Eigenschaft, als Antwort auf die primäre Lichtstrah­ lung die sekundäre Lichtstrahlung mit einer Spitzenwellen­ länge in dem gelben Bereich des sichtbaren Lichtspektrums zu emittieren. Die sekundäre Lichtstrahlung, die durch das er­ ste Fluoreszenzmaterial emittiert wird, weist vorzugsweise eine breitbandige spektrale Verteilung auf. Das zweite Fluo­ reszenzmaterial hat die Eigenschaft, eine sekundäre Licht­ strahlung mit einer Spitzenwellenlänge in dem roten Bereich des sichtbaren Lichtspektrums zu emittieren.

Bei einem ersten bevorzugten Verfahren wird das Phosphor- Harz-Gemisch durch Mischen des ersten Fluoreszenzmaterials aus Ce : YAG-Phosphor mit dem zweiten Fluoreszenzmaterial aus Eu : SrS-Phosphor hergestellt. Bei diesem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel kann das Phosphor-Harz-Gemisch etwa 74 Ge­ wichtsprozent Harz, 18% Ce : YAG-Phosphor und 8% Eu : SrS-Phos­ phor aufweisen. Die Menge eines speziellen Phosphormaterials in dem Phosphor-Harz-Gemisch kann abhängig von der gewünsch­ ten Farbzusammensetzung der weißen ausgegebenen Lichtstrah­ lung, die von der LED erzeugt werden wird, variieren.

Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Phosphor-Harz-Gemisch hergestellt, indem als erstes das Ce : YAG-Phosphormaterial mit dreiwertigen Ionen des Elements Pr dotiert wird, wodurch sich ein Phosphormaterial Pr,Ce : YAG ergibt. Der Teil des Ce : YAG-Phosphors, der nicht von dem Do­ tierungsprozeß beeinflußt worden ist, bildet das erste Fluo­ reszenzmaterial in dem Phosphor-Harz-Gemisch. Der Teil des Ce : YAG-Phosphormaterials, der durch den Dotierungsprozeß ge­ ändert worden ist, bildet das zweite Fluoreszenzmaterial. Entsprechend dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann die Menge eines speziellen Phosphormaterials in dem Phosphor- Harz-Gemisch abhängig von der gewünschten Farbzusammenset­ zung der weißen ausgegebenen Lichtstrahlung variieren.

Als nächstes wird das Phosphor-Harz-Gemisch über der Einkap­ selungsschicht aufgebracht, um eine Fluoreszenzschicht zu bilden, die die Einkapselungsschicht gleichmäßig bedeckt. Das aufgebrachte Phosphor-Harz-Gemisch kann dann in einen gelartigen Zustand gebracht werden, d. h. teilweise ausgehär­ tet werden. Eine zweite Schicht aus transparentem Harz wird über der Fluoreszenzschicht aufgebracht, um eine Linse der LED zu bilden. Als nächstes werden die zweite Schicht aus Harz und die Fluoreszenzschicht gemeinsam und vollständig in einem einzigen Prozeß ausgehärtet. Das gemeinsame Aushärten der Schichten stellt die enge Bindung der Fluoreszenzschicht mit der Linse sicher.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das lichterzeugende Bauelement eine zusammengesetzte weiße Ausgangslichtstrahlung liefern kann, die hinsichtlich der Farbe sehr ausgeglichen ist. Insbesondere weist die zusam­ mengesetzte weiße Ausgangslichtstrahlung einen größeren An­ teil roter Farbe als herkömmliche Phosphor-LEDs auf. Diese Charakteristik macht das Bauelement ideal für Anwendungen, bei denen eine Echtfarbenwiedergabe erforderlich ist, ohne daß es notwendig ist, eine zusätzliche rote Lichtquelle auf­ zunehmen, um einen unzureichenden Anteil roter Farbe zu kom­ pensieren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm einer typischen bekannten Phosphor- LED.

Fig. 2 einen graphischen Verlauf, der eine spektrale Ver­ teilung einer Ausgangslichtstrahlung aus einer spe­ zifischen bekannten Phosphor-LED zeigt.

Fig. 3 ein Diagramm einer Phosphor-LED zum kompensieren eines unzureichenden Anteils roten Lichts gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 einen graphischen Verlauf, der eine spektrale Ver­ teilung einer Ausgangslichtstrahlung aus der Phos­ phor-LED von Fig. 3 gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel zeigt.

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Phosphor-LED gemäß der vorliegenden Erfin­ dung.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine Phosphor-LED (LED = licht­ emittierende Diode) 34 zum Kompensieren eines unzureichenden Anteils roten Lichts gemäß der vorliegenden Erfindung ge­ zeigt. Wenn es anwendbar ist, werden die gleichen Bezugszei­ chen von Fig. 1 für entsprechende Komponenten, die in Fig. 3 dargestellt sind, verwendet. Die LED 34 ist entworfen, um eine "weiße" Ausgangslichtstrahlung zu erzeugen, die hin­ sichtlich der Farbe sehr ausgeglichen ist, um eine Beleuch­ tung für eine Echtfarbenwiedergabe zu liefern. Die LED 34 umfaßt einen GaN-Chip 12 (GaN = Gallium-Nitrid), der auf ei­ nem Reflektorschalenanschlußleitungsrahmen 14 positioniert und elektrisch mit Anschlußleitungen 16 und 18 gekoppelt ist. Die Anschlußleitungen 16 und 18 liefern eine Anregungs­ leistung zu dem GaN-Chip 12. Der GaN-Chip 12 kann im allge­ meinen eine quadratische Form aufweisen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GaN-Chip 12 konfiguriert, um ei­ ne primäre Lichtstrahlung mit einer Spitzenwellenlänge von 470 nm, die in dem blauen Bereich des Lichtspektrums liegt, d. h. blaues Licht, zu emittieren. Der GaN-Chip 12 ist von einer Abstandsschicht 36, die aus einem transparenten Mate­ rial hergestellt ist, bedeckt. Das transparente Material kann ein klares Epoxidharz oder Glas sein.

Benachbart zu der Abstandsschicht 36 befindet sich eine Fluoreszenzschicht 38. Die Fluoreszenzschicht 38 umfaßt das Fluoreszenzmaterial 22 und eine zweites Fluoreszenzmaterial 40. Das Fluoreszenzmaterial 22 hat die Eigenschaft, die pri­ märe Lichtstrahlung zu absorbieren und eine sekundäre Licht­ strahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge zu emittieren, wohingegen das Fluoreszenzmaterial 40 die Eigenschaft hat, die primäre Lichtstrahlung zu absorbieren und eine zweite Lichtstrahlung mit einer zweiten Spitzenwellenlänge zu emit­ tieren. Die sekundäre Lichtstrahlung, die von dem Fluores­ zenzmaterial 22 emittiert wird, weist vorzugsweise eine breitbandige spektrale Verteilung auf, die mittig in dem gelben Bereich des sichtbaren Spektrums liegt. Die sekundäre Lichtstrahlung, die von dem Fluoreszenzmaterial 40 emittiert wird, weist jedoch eine schmale spektrale Verteilung auf, die in dem roten Bereich des sichtbaren Spektrums intensiv ist. Wenn die primäre Lichtstrahlung und die sekundäre Lichtstrahlung, die von den Fluoreszenzmaterialien 22 und 40 emittiert werden, kombiniert werden, wird folglich die weiße Lichtstrahlung erzeugt, die zusätzlich zu den anderen Farben einen starken Rot-Anteil aufweist. Die Spitzenwellenlängen der sekundären Lichtstrahlungen hängen zusätzlich zu der Spitzenwellenlänge der primären Lichtstrahlung von der Zu­ sammensetzung der Fluoreszenzmaterialien 22 und 40 ab.

Die Fluoreszenzschicht 38 ist durch die Linse 24 eingekap­ selt, die wirksam ist, um einen nicht-absorbierten Teil der primären Lichtstrahlung und die sekundären Lichtstrahlungen in einer allgemeinen Richtung auszurichten, die durch den Pfeil 26 angegeben ist. Die Linse 24 ist vorzugsweise aus einem transparenten Material, wie z. B. einem klaren Epoxid­ harz, hergestellt. Es können jedoch auch andere transparente Materialien, wie z. B. Glas, verwendet werden. Das transpa­ rente Material, das verwendet wird, um die Linse 24 zu bil­ den, stellt für die Erfindung keine kritische Eigenschaft dar. Die sekundäre Lichtstrahlungen aus den Fluoreszenzmate­ rialien 22 und 40 in der Schicht 38 und der nicht-absorbier­ te Teil der primären Lichtstrahlung treten als die weiße Ausgangslichtstrahlung aus der Linse 24 aus.

Während des Betriebs wird der GaN-Chip 12 durch elektrische Leistung aktiviert, die über die Anschlußleitungen 16 und 18 zu dem GaN-Chip 12 zugeführt wird. Wenn der GaN-Chip 12 ak­ tiviert ist, emittiert derselbe die primäre Lichtstrahlung von der oberen Oberfläche des GaN-Chips 12 weg. Die emit­ tierte primäre Lichtstrahlung breitet sich durch die Ab­ standsschicht 36 zu der Fluoreszenzschicht 38 aus. Ein Teil der primären Lichtstrahlung trifft auf das Fluoreszenzmate­ rial 22 in der Schicht 38. Das Fluoreszenzmaterial 22 wird die einfallende primäre Lichtstrahlung absorbieren und die sekundäre Lichtstrahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge emittieren. Ein weiterer Teil der primären Lichtstrahlung wird auf das Fluoreszenzmaterial 40 in der Schicht 38 auf­ treffen. Das Fluoreszenzmaterial 40 wird die einfallende primäre Lichtstrahlung absorbieren und die sekundäre Licht­ strahlung mit der zweiten Spitzenwellenlänge emittieren. Ein Teil der primären Lichtstrahlung wird jedoch weder von dem Fluoreszenzmaterial 22 noch von dem Fluoreszenzmaterial 40 absorbiert werden. Der nicht-absorbierte Teil der primären Lichtstrahlung wird sich durch die Fluoreszenzschicht 38 ausbreiten. Die sekundären Lichtstrahlungen aus den Fluores­ zenzmaterialien 22 und 40 in der Schicht 38 und die nicht­ absorbierte primäre Lichtstrahlung aus dem GaN-Chip 12 wer­ den mittels der Linse 24 fokussiert und treten als die weiße Ausgangslichtstrahlung aus der LED 34 aus, die sich in der allgemeinen Richtung des Pfeils 26 ausbreitet. Die Kombina­ tion der nicht-absorbierten primären Lichtstrahlung aus dem GaN-Chip 12 und der sekundären Lichtstrahlungen aus dem Fluoreszenzmaterial 22 und 40 in der Schicht 38 ergibt die weiße Ausgangslichtstrahlung, die hinsichtlich der Farbe sehr ausgeglichen ist.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Fluoreszenzmaterial 22 ein Ce-aktiviertes (Ce = Zermetall) und Gd-dotiertes (Gd = Gadolinium) YAG-Phosphormaterial ("Ce : YAG-Phosphor"; YAG = Yttrium-Aluminium-Granat), und das Fluoreszenzmaterial 40 ist ein verändertes Ce : YAG-Phosphor­ material. Das veränderte Ce : YAG-Phosphormaterial ist eine nicht-stöchiometrische Verbindung, die durch Dotieren des Ce : YAG-Phosphormaterials mit dreiwertigen Pr-Ionen (Pr = Praseodym) erzeugt wird. Das Vorhandensein von Pr in dem Ce : YAG-Phosphormaterial hat die Wirkung, daß das Pr3+ die Funktionen des Ce3+ "übernimmt". Als Ergebnis erzeugt das Pr eine sekundäre Emission, die in dem roten Bereich des sicht­ baren Lichts konzentriert ist, anstelle einer typischen breitbandigen sekundären Emission aus dem Ce : YAG-Phosphorma­ terial, die im allgemeinen in der Mitte des gelben Bereichs des sichtbaren Lichts liegt. Die Menge des Pr-dotierten Ce : YAG-Phosphormaterials in der Fluoreszenzschicht 38 kann ebenso wie die Menge des Pr in dem modifizierten Ce : YAG-Ma­ terial abhängig von dem Anteil des roten Lichts, der in der weißen Ausgangslichtstrahlung für eine spezielle Anwendung erforderlich sein kann, variieren.

In Fig. 4 ist eine spektrale Verteilung 42 der weißen Aus­ gangslichtstrahlung gezeigt, die durch die LED 34 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt wird. Die spektrale Verteilung 42 umfaßt Spitzen 44, 46 und 48. Die Spitze 44 wird vor allem durch die Komponente der nicht-ab­ sorbierten primären Emission aus der LED-Lichtstrahlung her­ vorgerufen. Die zweite Spitze 46 wird vor allem durch die sekundäre Emission aus dem Fluoreszenzmaterial 22 hervorge­ rufen, während die Spitze 48 vor allem durch die sekundäre Emission aus dem Fluoreszenzmaterial 40 hervorgerufen wird. Wenn diese Verteilung mit der spektralen Verteilung 28 der weißen Ausgangslichtstrahlung verglichen wird, die von der bekannten LED von Shimizu u. a. (Fig. 2) erzeugt wird, liegt der offensichtliche Unterschied bei der spektralen Vertei­ lung 42 in der zusätzlichen Spitze 48, die sich in dem roten Bereich des sichtbaren Lichts befindet. Folglich hat die weiße Ausgangslichtstrahlung, die von der LED 34 erzeugt wird, im Vergleich zu der Ausgangslichtstrahlung, die von der bekannten LED von Shimizu u. a. erzeugt wird, einen sig­ nifikanten zusätzlichen Anteil roter Farbe. Die LED 34 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann konfiguriert sein, um weiße Ausgangslichtstrahlung mit einer Farbtempera­ tur von 3800 Grad Kelvin und einem Farbwiedergabeindex von 85 zu erzeugen.

Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Fluoreszenzmaterial 22 ebenfalls Ce : YAG-Phosphormaterial. Das Fluoreszenzmaterial 40 ist jedoch ein Eu-aktiviertes SrS-Phosphormaterial ("Eu : SrS"; SrS = Strontium-Sulfid). Die Menge des Eu : SrS-Phosphormaterials ist vorzugsweise gleich oder weniger als 10 Gewichtsprozent des Gesamtphosphorge­ wichts in der Schicht 38. Die Menge des Eu : SrS-Phosphormate­ rials in der Schicht 38 kann abhängig von dem Anteil der ro­ ten Farbe, der in der weißen Ausgangslichtstrahlung erfor­ derlich sein kann, variieren. Die exakte Menge des Eu : SrS- Phosphormaterials in der Schicht 38 stellt für die Erfindung jedoch keine kritische Eigenschaft dar.

Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel lediglich da­ rin, daß die Zusammensetzung des Fluoreszenzmaterials 40 für die zwei Ausführungsbeispiele variiert. Das Fluoreszenzmate­ rial 40 ist jedoch bei beiden Ausführungsbeispielen wirksam, um die rote Farbkomponente der weißen Ausgangslichtstrahlung zu steigern, um einen unzureichenden Anteil roten Lichts zu kompensieren. Da die Funktionsweise der zwei Ausführungsbei­ spiele eigentlich identisch ist, ist die spektrale Vertei­ lung der Ausgangslichtstrahlung für das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel sehr ähnlich zu der spektralen Vertei­ lung 42 der Ausgangslichtstrahlung, die von dem ersten be­ vorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt wird. Folglich würde auch die spektrale Verteilung der weißen Ausgangslichtstrah­ lung, die von der LED 34 gemäß dem zweiten Ausführungsbei­ spiel erzeugt wird, eine Spitzenwellenlänge in dem roten Be­ reich des sichtbaren Lichtspektrums aufweisen.

Bezugnehmend auf ein Flußdiagramm in Fig. 5 wird nun ein Verfahren zum Herstellen einer Phosphor-LED zum Kompensieren eines unzureichenden Anteils roten Lichts beschrieben. Bei Schritt 50 wird eine Lichtquelle vorgesehen, die eine primä­ re Lichtstrahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge emit­ tiert. Die Lichtquelle ist vorzugsweise ein GaN-Chip, der die primäre Lichtstrahlung mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 470 nm emittiert. Als nächstes wird bei Schritt 52 eine erste Schicht aus einem transparenten Harz über der Licht­ quelle aufgebracht, wobei diese eine Einkapselungsschicht bildet. Der Schritt 52 ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch und kann aus dem Verfahren weggelassen wer­ den. Bei Schritt 54 wird ein Phosphor-Harz-Gemisch herge­ stellt, um eine Fluoreszenzschicht in der LED zu bilden. Das Phosphor-Harz-Gemisch umfaßt zwei Fluoreszenzmaterialien, die mit einer Harzpaste kombiniert werden. Das erste Fluo­ reszenzmaterial hat die Eigenschaft, als Antwort auf die primäre Lichtstrahlung eine sekundäre Lichtstrahlung mit ei­ ner Spitzenwellenlänge in dem gelben Bereich des sichtbaren Lichtspektrums zu emittieren. Vorzugsweise weist die sekun­ däre Lichtstrahlung, die von dem ersten Fluoreszenzmaterial emittiert wird, eine breitbandige Spektralverteilung auf.

Das zweite Fluoreszenzmaterial hat die Eigenschaft, eine se­ kundäre Lichtstrahlung mit einer Spitzenwellenlänge in dem roten Bereich des sichtbaren Lichtspektrums zu emittieren.

Bei einem ersten bevorzugten Verfahren wird das Phosphor- Harz-Gemisch durch Mischen der ersten Fluoreszenzmaterials aus Ce : YAG-Phosphor mit dem zweiten Fluoreszenzmaterial aus Eu : SrS-Phosphor hergestellt. Bei diesem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel kann das Phosphor-Harz-Gemisch etwa 74 Ge­ wichtsprozent Harz, 18 Gewichtsprozent Ce : YAG-Phosphor und 8 Gewichtsprozent Eu : SrS-Phosphor aufweisen. Die Menge eines speziellen Phosphormaterials in dem Phosphor-Harz-Gemisch kann abhängig von der gewünschten Farbzusammensetzung der weißen Ausgangslichtstrahlung, die von der LED erzeugt wer­ den wird, variieren. Beispielsweise kann die rote Farbkompo­ nente der weißen Ausgangslichtstrahlung durch Hinzufügen von mehr Eu : SrS-Phosphor in dem Phosphor-Harz-Gemisch vergrößert werden.

Bei einem zweiten bevorzugten Verfahren wird das Phosphor- Harz-Gemisch hergestellt, indem als erstes das Ce : YAG-Phos­ phormaterial mit dreiwertigen Ionen des Elements Pr dotiert wird. Der Teil des Ce : YAG-Phosphormaterials, der nicht durch den Dotierungsprozeß beeinflußt worden ist, bildet das erste Fluoreszenzmaterial in dem Phosphor-Harz-Gemisch. Der Teil des Ce : YAG-Phosphormaterials, der durch den Dotierungsprozeß verändert worden ist, bildet das zweite Fluoreszenzmaterial. Entsprechend dem vorherigen Ausführungsbeispiel kann die Menge eines speziellen Phosphormaterials in dem Phosphor- Harz-Gemisch abhängig von der gewünschten Farbzusammenset­ zung der weißen Ausgangslichtstrahlung variieren.

Als nächstes wird bei Schritt 56 das Phosphor-Harz-Gemisch über der Einkapselungsschicht aufgebracht, um eine Fluores­ zenzschicht zu bilden, die die Einkapselungsschicht gleich­ mäßig bedeckt. Das aufgebrachte Phosphor-Harz-Gemisch kann dann in einen gelartigen Zustand gebracht werden, d. h. teil­ weise ausgehärtet werden. Bei Schritt 58 wird eine zweite Schicht aus einem transparenten Harz über der Fluoreszenz­ schicht aufgebracht, um eine Linse der LED zu bilden. Die zweite Schicht aus Harz und die Fluoreszenzschicht werden dann gemeinsam und vollständig in einem einzigen Prozeß bei Schritt 60 ausgehärtet. Das gemeinsame Aushärten der Schich­ ten stellt die enge Verbindung der Fluoreszenzschicht mit der Linse sicher.

Claims (18)

1. Lichtemittierendes Bauelement (34) mit folgenden Merk­ malen:
einer Lichterzeugungseinrichtung (12) zum Emittieren einer ersten Lichtstrahlung mit einer ersten Spitzen­ wellenlänge in einem ersten Spektralbereich als Antwort auf ein angelegtes Anregungssignal;
einer Wellenlängenumwandlungseinrichtung (38), die mit der Lichterzeugungseinrichtung (12) gekoppelt ist, um die erste Lichtstrahlung aufzunehmen, zum Umwandeln ei­ nes Teils der ersten Lichtstrahlung, um eine zusammen­ gesetzte Lichtstrahlung mit einer breitbandigen spek­ tralen Verteilung zu bilden, wobei die Wellenlängenum­ wandlungseinrichtung (38) ein primäres Fluoreszenzma­ terial (22) aufweist, das die erste Lichtstrahlung in eine zweite Lichtstrahlung mit einer zweiten Spitzen­ wellenlänge in einem zweiten Spektralbereich umwandelt, wobei die Wellenlängenumwandlungseinrichtung ein zu­ sätzliches Fluoreszenzmaterial (40) aufweist, das die erste Lichtstrahlung in eine dritte Lichtstrahlung mit einer dritten Spitzenwellenlänge in einem roten Spek­ tralbereich des sichtbaren Lichtspektrums umwandelt, wobei die zusammengesetzte Lichtstrahlung zumindest teilweise durch die erste Lichtstrahlung, die zweite Lichtstrahlung und die dritte Lichtstrahlung gebildet ist, derart, daß die breitbandige spektrale Verteilung den ersten Spektralbereich, den zweiten Spektralbereich und den dritten Spektralbereich umfaßt; und
einer Einrichtung (24) in einer optischen Kommunikation mit der Lichterzeugungseinrichtung (12) und der Wellen­ längenumwandlungseinrichtung (38) zum Führen der ersten Lichtstrahlung, der zweiten Lichtstrahlung und der dritten Lichtstrahlung in einer vorbestimmten Richtung.

2. Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem das zusätzliche Fluoreszenzmaterial (40) der Wellenlängenumwandlungs­ einrichtung (38) Strontium-Sulfid (SrS) aufweist.

3. Bauelement gemäß Anspruch 2, bei dem das zusätzliche Fluoreszenzmaterial (40) der Wellenlängenumwandlungs­ einrichtung (38) Eu-aktiviertes (Eu = Europium) Stron­ tium-Sulfid (SrS) aufweist.

4. Bauelement gemäß Anspruch 3, bei dem die Wellenlängen­ umwandlungseinrichtung (38) weniger Gewichtsprozent des Eu-aktivierten (Eu = Europium) Strontium-Sulfids (SrS) als des primären Fluoreszenzmaterials (22) enthält.

5. Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem das zusätzliche Fluoreszenzmaterial (40) der Wellenlängenumwandlungs­ einrichtung (38) dreiwertiges Praseodym (Pr3+) auf­ weist.

6. Bauelement gemäß Anspruch 2, das ferner eine Einkapse­ lungsschicht (36) zwischen dem GaN-basierten Chip (12) und der Wellenlängenumwandlungseinrichtung (38) auf­ weist, wobei die Einkapselungsschicht aus einem trans­ parenten Epoxidharz hergestellt ist.

7. Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem das primäre Fluo­ reszenzmaterial (22) der Wellenlängenumwandlungsein­ richtung (38) Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) aufweist.

8. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Bau­ elements (34), mit folgenden Schritten:
Vorsehen (50) einer Lichtquelle (12), die eine erste Lichtstrahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert;
Herstellen (54) eines Phosphor-Epoxidharz-Gemisches, wobei das Phosphor-Epoxidharz-Gemisch ein primäres Fluoreszenzmaterial (22), das als Antwort auf eine Be­ lichtung mit der ersten Lichtstrahlung eine zweite Lichtstrahlung mit einer zweiten Spitzenwellenlänge emittiert, und ein zusätzliches Fluoreszenzmaterial (40) aufweist, das eine dritte Lichtstrahlung mit einer dritten Spitzenwellenlänge in einem roten Spektralbe­ reich des sichtbaren Lichtspektrums emittiert, wobei das zusätzliche Fluoreszenzmaterial auf eine Belichtung mit der ersten Lichtstrahlung anspricht;
Anbringen (56) des Phosphor-Epoxidharz-Gemisches über der Lichtquelle, um eine Fluoreszenzschicht (38) zu bilden, die zumindest teilweise die Lichtquelle einkap­ selt; und
Anbringen (56) eines transparenten Materials über der Fluoreszenzschicht, um eine Linse (24) über der Fluo­ reszenzschicht zu bilden.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt des Herstellens (54) des Phosphor-Epoxidharz-Gemisches den Schritt des Mischens des zusätzlichen Fluoreszenzmate­ rials (40) aus Eu-aktiviertem (Eu = Europium) Stron­ tium-Sulfid (SrS) mit dem primären Fluoreszenzmaterial (22) umfaßt, um das Phosphor-Epoxidharz-Gemisch zu ge­ winnen.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Schritt des Mi­ schens des zusätzlichen Fluoreszenzmaterials (40) aus dem Eu-aktiviertem (Eu = Europium) Strontium-Sulfid (SrS) mit dem primären Fluoreszenzmaterial (22) ein Schritt des Mischens des zusätzlichen Fluoreszenzmate­ rials aus dem Eu-aktiviertem (Eu = Europium) Stron­ tium-Sulfid (SrS) mit dem primären Fluoreszenzmaterial aus Ce-aktiviertem (Ce = Zermetall) und Gd-dotiertem (Gd = Gadolinium) Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) ist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt des Herstellens (54) des Phosphor-Epoxidharz-Gemisches den Schritt des Dotierens des primären Fluoreszenzmaterials (22) aus Ce-aktiviertem (Ce = Zermetall) und Gd-dotier­ tem (Gd = Gadolinium) Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) mit dreiwertigem Praseodym (Pr3+) umfaßt, um das Phos­ phor-Epoxidharz-Gemisch zu gewinnen.

12. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt des Vorsehens (50) der Lichtquelle (12) ein Schritt des Vorsehens eines GaN-basierten Chips (12) ist, der die erste Lichtstrahlung mit der ersten Spitzenwellenlänge in einem blauen Bereich des sichtbaren Lichtspektrums emittiert.

13. Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner mit einem Schritt des gemeinsamen Aushärtens des Phosphor-Epoxidharz-Ge­ misches und des transparenten Materials, um das Phos­ phor-Epoxidharz-Gemisch an das transparente Material zu binden.

14. Lichtemittierendes Bauelement (34) mit folgenden Merk­ malen:
einer Lichtquelle (12), die als Antwort auf ein ange­ legtes elektrisches Signal eine erste Lichtstrahlung mit einer ersten Spitzenwellenlänge in einem ersten Spektralbereich emittiert;
einer Fluoreszenzschicht (38), die über der Lichtquelle positioniert ist, um die erste Lichtstrahlung aufzuneh­ men, die aus der Lichtquelle emittiert wird, wobei die Fluoreszenzschicht ein erstes Fluoreszenzmaterial (22) aufweist, das die Eigenschaft hat, als Antwort auf die erste Lichtstrahlung eine zweite Lichtstrahlung mit ei­ ner zweiten Spitzenwellenlänge in einem zweiten Spek­ tralbereich abzustrahlen, wobei die Fluoreszenzschicht ein zweites Fluoreszenzmaterial (40) aufweist, das die Eigenschaft hat, eine dritte Lichtstrahlung mit einer dritten Spitzenwellenlänge in einem roten Spektralbe­ reich des sichtbaren Lichtspektrums abzustrahlen;
einem Lichtausbreitungsmedium (24), das mit der Fluo­ reszenzschicht optisch gekoppelt ist, um die erste Lichtstrahlung, die zweite Lichtstrahlung und die drit­ te Lichtstrahlung als eine zusammengesetzte Ausgangs­ lichtstrahlung in eine Richtung von der Lichtquelle weg durchzulassen, wobei die zusammengesetzte Ausgangs­ lichtstrahlung eine Farbcharakteristik aufweist, die zumindest teilweise durch die Intensitäten der ersten Lichtstrahlung, der zweiten Lichtstrahlung und der dritten Lichtstrahlung bestimmt wird.

15. Bauelement gemäß Anspruch 14, bei dem das zweite Fluo­ reszenzmaterial (40) der Fluoreszenzschicht (38) Stron­ tium-Sulfid (SrS) oder Eu-aktiviertes (Eu = Europium) Strontium-Sulfid umfaßt.

16. Bauelement gemäß Anspruch 15, bei dem die Fluoreszenz­ schicht (38) weniger Gewichtsprozent des Eu-aktivierten (Eu = Europium) Strontium-Sulfids (SrS) als des ersten Fluoreszenzmaterials (22) aufweist.

17. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das zweite Fluoreszenzmaterial (40) der Fluoreszenz­ schicht (38) dreiwertiges Praseodym (Pr3+) aufweist.

18. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das erste Fluoreszenzmaterial (22) der Fluoreszenz­ schicht (38) Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) aufweist.