Optoelektronisches Bauelement Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement umfassend ein Konversionselement.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 117 189.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise

lichtemittierende Dioden (LEDs) weisen häufig

Konversionselemente mit einem Konvertermaterial auf.

Konvertermaterialien wandeln die von einer Strahlungsquelle emittierte Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung mit veränderter, beispielsweise längerer, Wellenlänge um. Es ist bekannt, Quantenpunkte als Konvertermaterialien einzusetzen, um monochromatisches oder polychromatisches Licht, zum

Beispiel weißes Licht, zu erzeugen. Quantenpunkte weisen zahlreiche Vorteile im Vergleich zu konventionellen

Konvertermaterialien auf. Beispielsweise kann mit

Quantenpunkten eine schmale spektrale Halbwertsbreite auf halber Höhe des Maximums (FWHM; Füll Width Half Maximum) der emittierten Strahlung erreicht werden. Zudem ist es durch den Einsatz von Quantenpunkten möglich, die Peakwellenlänge der Emissionsstrahlung sehr leicht zu variieren. Um die

Absorption der von der Strahlungsquelle emittierten

Primärstrahlung und die Lichtemission der Quantenpunkte zu erhöhen, werden üblicherweise die Schichtdicke des

Konversionselements und die Konzentration an

Konverterpartikeln erhöht und Streupartikel wie

beispielsweise Ti02 ^_ Partikel in das Konversionselement eingebracht. Die bislang besten optischen Eigenschaften in lichtemittierenden Dioden werden mit Cadmium-haltigen

Quantenpunkten erzielt. Insbesondere die Erhöhung der

Konzentration an Cadmium-haltigen Quantenpunkten ist dabei problematisch, da diese aufgrund der Toxizität des Cadmiums nicht in beliebiger Konzentration eingesetzt werden dürfen.

Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement mit einem Konversionselement umfassend Quantenpunkte mit einem

effizienzverbesserten Konversionsprozess beziehungsweise mit höherer Materialeffizienz bereitzustellen. Unter einer verbesserten Materialeffizienz ist dabei insbesondere die gleiche Energieeffizienz und der gleiche Konversionsgrad durch Einsatz einer geringeren Konzentration an

Quantenpunkten als herkömmlich zu verstehen.

Die Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen sowie Weiterbildungen der

vorliegenden Erfindung sind in den jeweils abhängigen

Ansprüchen angegeben.

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst eine

Primärstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren. Zudem umfasst das optoelektronische Bauelement ein Konversionselement, das im Strahlengang der

elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist. Das Konversionselement umfasst Quantenpunkte, die dazu

eingerichtet sind, im Betrieb des Bauelements zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren. Die Quantenpunkte weisen einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm, bevorzugt von einschließlich 100 nm bis einschließlich 500 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 120 nm bis 500 nm auf.

Die Quantenpunkte umfassen definitionsgemäß einen Kern und eine Hülle, die den Kern umgibt oder bestehen aus einem Kern und einer Hülle. Die hier und im Folgenden angegebenen

Durchmesser der Quantenpunkte beziehen sich folglich auf den Durchmesser der Quantenpunkte inklusive Kern und Hülle.

Die Quantenpunkte weisen gemäß einer Ausführungsform eine sphärische oder nahezu sphärische Geometrie auf.

Insbesondere weisen alle Quantenpunkte einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm, bevorzugt von einschließlich 100 nm bis einschließlich 500 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 120 nm bis 500 nm,

beispielsweise 200 nm auf. Abweichungen von +/- 10 %, bevorzugt +/- 5 %, besonders bevorzugt +/- 2 % sind dabei definitionsgemäß mit umfasst. Üblicherweise weisen Quantenpunkte mit einem Kern und einer Hülle in einem Konversionselement eines optoelektronischen Bauelements einen Durchmesser unter 30 nm auf. Durch die erfindungsgemäße Wahl des Durchmessers der Quantenpunkte von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm kann die

Primärstrahlung an den Quantenpunkten effektiv gestreut werden, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der Absorption durch die vorhandenen Quantenpunkte erhöht. Dadurch wird die Lichtausbeute an Sekundärstrahlung, die von dem optoelektronischen Bauelement abgestrahlt wird, erhöht und damit die Effizienz des Bauelements gesteigert. Alternativ kann unter Beibehalt der Effizienz die Menge an

Quantenpunkten in dem Konversionselement gesenkt werden. Es wird zudem die elastische Streuung erhöht und somit die mehr oder weniger zufällige Richtungsänderung der Primär- und Sekundärstrahlung erhöht, was zu einer verbesserten Effizienz führt. Durch die Lichtstreuung der Primär- und der

Sekundärstrahlung wird zudem eine Homogenität des

abgestrahlten Lichts erzielt. Durch die erfindungsgemäße Wahl des Durchmessers von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm der Quantenpunkte kann mit Vorteil die Zugabe von zusätzlichen Streupartikeln vermieden werden. Quantenpunkte mit einem Durchmesser unterhalb von 50 nm zeigen eine zu geringe und unterhalb von 30 nm fast keine oder eine zu vernachlässigende Streuwirkung.

Dass die Quantenpunkte die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische

Sekundärstrahlung konvertieren, kann zum einen bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise von den Quantenpunkten absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung

verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird. Ein Teil der absorbierten Primärstrahlung wird hierbei auch als Wärme von den Quantenpunkten abgegeben. Die elektromagnetische Primärstrahlung und elektromagnetische Sekundärstrahlung können eine oder mehrere Wellenlängen und/oder

Wellenlängenbereiche in einem infraroten bis ultravioletten Wellenbereich umfassen, insbesondere in einem sichtbaren Wellenlängenbereich . Dass die Quantenpunkte zumindest teilweise die

elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, kann auch bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung nahezu vollständig durch die Quantenpunkte absorbiert wird und in Form einer

elektromagnetischen Sekundärstrahlung und in Form von Wärme abgegeben wird. Die emittierte Strahlung des

optoelektronischen Bauelements gemäß dieser Ausführungsform entspricht somit nahezu vollständig der elektromagnetischen Sekundärstrahlung. Unter nahezu vollständiger Konversion ist eine Konversion über 90 %, insbesondere über 95 % , zu

verstehen .

Es ist möglich, dass das Bauelement eine Mischstrahlung aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert, das beim Betrachter einen weißfarbigen Leuchteindruck erweckt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Primärstrahlungsquelle um eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren. Bei der Schichtenfolge kann es sich um ein

Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Leuchtdiode

handeln .

Unter "Schichtenfolge" ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende Schichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n- dotierten Halbleiterschicht, wobei die Schichten

beispielsweise übereinander angeordnet sind und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die

elektromagnetische Primärstrahlung emittiert. Die Schichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer

Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene

Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein. Dabei kann die Schichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und

Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten

aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In _x Al _y Gai_ _x _ _y N mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1

aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise elektromagnetische Primärstrahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren. Insbesondere wird eine ultraviolette oder blaue, bevorzugt eine Primärstrahlung im blauen Wellenlängenbereich,

beispielsweise von 450 nm emittiert.

Die aktive Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle

Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte

Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder

Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement- , Cladding- oder Wellenleiterschichten,

Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem

Aufwachssubstrat abgewandten Seite der

Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht sein. Die hier beschriebenen Strukturen, die aktive Schicht oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die

Quantenpunkte einen Kern und eine Hülle auf. Der Kern ist dazu eingerichtet die Primärstrahlung, insbesondere mit hoher Quanteneffizienz, zu absorbieren und eine Sekundärstrahlung zu emittieren. Der Kern kann dabei einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 10 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 2 nm bis einschließlich 8 nm aufweisen und die Hülle kann eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm, bevorzugt von einschließlich 20 nm bis einschließlich 249,5 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 21 nm bis einschließlich 249 nm, aufweisen. Insgesamt weisen die Quantenpunkte dabei einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm auf. Bei solchen Dicken der Hülle sind die Kerne der Quantenpunkte ausreichend voneinander isoliert, um einen optimalen

Konversionsprozess zu gewährleisten. Der physische Kontakt zwischen zwei Kernen von Quantenpunkten ist ungünstig für den Konversionsprozess, also für die Absorption der

Primärstrahlung und die Vermeidung von hoher Reabsorption der Sekundärstrahlung. Bei größeren Dicken der Hülle werden die Transporteigenschaften von Ladungsträgern von der Hülle zum Kern negativ beeinflusst.

Die Hülle ist zum einen dazu eingerichtet die Ladungsträger von der beziehungsweise durch die Hülle in den Kern zu transportieren und zum anderen dient diese als eine

elektronische Barriere für die Ladungsträger, so dass diese nicht mehr von dem Kern zur Oberfläche der Hülle

transportiert werden können. Zum anderen dient die Hülle der Passivierung nicht-strahlender Ladungsträger- Rekombinationspfade an der Kernoberfläche durch die

Vermeidung von freien Bindungen (sogenannte „dangling bonds") des Materials des Kerns.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt die Hülle den Kern vollständig. Das bedeutet, dass die Oberfläche des Kerns vollständig von der Hülle bedeckt ist. Insbesondere weisen der Kern und die Hülle einen direkten Kontakt zueinander auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Kern ein Halbleitermaterial, bevorzugt ein II/VI-, IV/VI, III/V- II ₃ /V ₂ -, I/III/VI ₂ , IV- oder I ₂ /VI-Halbleitermaterial oder besteht aus dem Halbleitermaterial, bevorzugt einem II/VI- oder I I I /V-Halbleitermaterial . Durch das Material des Kerns und/oder des Durchmessers des Kerns werden die

Peakwellenlänge beziehungsweise die Emissionswellenlänge der Sekundärstrahlung festgelegt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Kern CdSTe, CdSeTe, CdHgTe, HgTe, PbS, PbSSe, PbSe, PbTe, CulnP, InPAs, InAs, Cd ₃ P ₂ , Cd ₃ As ₂ , CuInS ₂ , CuInSe ₂ , AgInS ₂ , Ge, Ag ₂ S, Ag ₂ Se, Ag ₂ Te, InP, CdS, CdSe, InGaAs, InGaP, InGaSb, CdTe, InGaN oder CuInSe2, bevorzugt CdSTe, CdSeTe, CdHgTe, Cd ₃ P ₂ , Cd ₃ As ₂ CdS, CdSe, CdTe oder Legierungen dieser Materialien oder besteht aus diesen Materialien oder aus Legierungen dieser Materialien .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Hülle ein Material oder besteht aus einem Material, das eine höhere

Bandlücke aufweist als das Material des Kerns. Dadurch können die Ladungsträger in dem Kern gehalten werden, da sie

aufgrund der höheren Bandlücke des Materials der Hülle nicht in die Hülle transportiert werden (sogenanntes „carrier confinement" ) . Es erfolgt also eine strahlende Rekombination der Ladungsträger innerhalb des Kerns und damit eine hohe strahlende Effizienz.

Zusätzlich kann der feuchte- und Sauerstoffempfindliche Kern durch die Hülle effizient vor diesen Einflüssen geschützt werden. Insbesondere ist das Material der Hülle dielektrisch. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Hülle zumindest eine erste Hülle, die ein Halbleitermaterial oder einen Isolator umfasst, bevorzugt ZnS, ZnSe, CdS, ZnTe,

AlGaAs, GaN, Si0 ₂ , AI ₂ O ₃ , S1 ₃ N ₄ oder T1O ₂ oder aus einem dieser Materialien besteht. ZnS, ZnSe, CdS, ZnTe, AlGaAs und GaN sind Halbleitermaterialien und S1O ₂ , AI ₂ O ₃ , S1 ₃ N ₄ und T1O ₂ sind Isolatoren. Die Hülle kann auch aus der ersten Hülle

bestehen. Durch die Wahl dieser Materialien der ersten Hülle können sich insbesondere zwischen dem Halbleitermaterial des Kerns an dessen Oberfläche chemische Bindungen zu dem

Material der Hülle beziehungsweise ersten Hülle bilden.

Dadurch sind keine oder nahezu keine freien Bindungen an der Oberfläche der Kerns vorhanden, an denen nichtstrahlende Rekombinationen von Ladungsträgern stattfinden könnten. Die erste Hülle dient also der Passivierung nicht-strahlender Ladungsträger-Rekombinationspfade an der Kernoberfläche durch die Vermeidung von freien Bindungen des Halbleitermaterials des Kerns.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Hülle eine Dicke zwischen einschließlich 15 nm und einschließlich

50 nm auf. Bei diesen Dicken der ersten Hülle trägt die erste Hülle neben dem Kern insbesondere zur Absorption der

Primärstrahlung bei. Insbesondere bei diesen Dicken der ersten Hülle ist der Ladungstransport von Ladungsträgern von der Hülle zum Kern besonders effektiv.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Hülle eine zweite Hülle. Die Hülle umfasst gemäß dieser Ausführungsform eine erste und eine zweite Hülle. Die Hülle kann auch aus der ersten und der zweiten Hülle bestehen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das

Konversionselement ein Matrixmaterial. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein Silikon, ein Polymethylmethacrylat oder ein Epoxidharz sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte in dem Matrixmaterial homogen oder nahezu homogen verteilt. Die homogene Verteilung trägt zu einer Verbesserung der

Absorption und einer Verringerung der Reabsorption der

Sekundärstrahlung bei. Besteht die Hülle aus der ersten Hülle weist das Material der ersten Hülle ein Material auf, das einen Brechungsindex n^O aufweist, der kleiner oder größer als der des Matrixmaterials ist, um eine Streuung der Strahlung zu gewährleisten. Die zweite Hülle kann ein Material umfassen oder aus einem Material bestehen, das einen Brechungsindex n^O aufweist, der kleiner oder größer, bevorzugt größer, als der des

Matrixmaterials ist. Beispielsweise kann MgF ₂ mit einem

Brechungsindex von n^O ^35 _a ]_ _s Material für die zweite Hülle eingesetzt werden, wenn als Matrixmaterial

beispielsweise ein Silikon mit einem Brechungsindex von 1,5 eingesetzt wird. Als Material für die zweite Hülle können Materialien

eingesetzt werden, die einen zu dem Matrixmaterial

verschiedenen Brechungsindex aufweisen und eine geringe

Absorption bei der Primärstrahlungs- und

Sekundärstrahlungswellenlänge aufweisen. Materialien mit geringer Extinktion (Absorption) sind beispielsweise

Metalloxide, Isolatoren und Halbleiter mit größerer Bandlücke als die Wellenlänge der Primär- und/oder Sekundärstrahlung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Hülle über dem Kern und die zweite Hülle über der ersten Hülle angeordnet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt die erste Hülle den Kern vollständig und die zweite Hülle umgibt die erste Hülle vollständig. Insbesondere weisen der Kern und die erste Hülle und die erste Hülle und die zweite Hülle einen direkten Kontakt zueinander auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kern durch chemische Bindungen an die erste Hülle und/oder die erste Hülle durch chemische Bindungen an die zweite Hülle gebunden. Trägt die erste Hülle zur Absorption der Primärstrahlung bei, weist also die erste Hülle eine Schichtdicke zwischen

einschließlich 15 nm und einschließlich 50 nm auf, weist das Material der zweiten Hülle bevorzugt gute

Passivierungseigenschaften auf um eine Rekombination der Ladungsträger an der Oberfläche der ersten Hülle zu

verhindern. Bevorzugt bilden sich zwischen dem Material der ersten Hülle an dessen Oberfläche chemische Bindungen zu dem Material der zweiten Hülle. Dadurch sind keine oder nahezu keine freien Bindungen an der Oberfläche der ersten Hülle vorhanden, an denen nichtstrahlende Rekombinationen von

Ladungsträgern stattfinden könnten. Die zweite Hülle dient also der Passivierung nicht-strahlender Ladungsträger- Rekombinationspfade an der Oberfläche der ersten Hülle durch die Vermeidung von freien Bindungen des Materials der ersten Hülle. Zudem dient die zweite Hülle der Erhöhung der Streuung ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Material der zweiten Hülle ein Metallhalogenid, ein Metalloxid oder ein Metallphosphit .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Material der zweiten Hülle aus einer Gruppe ausgewählt, die 1O2, S1O2 Α1 ₂ θ3^ MgF ₂ , Hf ₂ 0 ₅ , Nb ₂ 0 ₅ , Ta ₂ 0 ₅ , Zr0 ₂ , GaN, Si ₃ N ₄ und GaP umfasst. Bevorzugt sind T1O2 und/oder Αΐ2θ3_ Diese

Materialien zeigen insbesondere eine geringe Absorption bei der Primärstrahlungs- und Sekundärstrahlungswellenlänge .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann die zweite Hülle aus mehreren Teilhüllen bestehen, insbesondere aus zwei Teilhüllen. Bevorzugt bestehen die erste und die zweite

Teilhülle aus unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise besteht die erste Teilhülle aus T1O2 mit einem Brechungsindex v _on 2,4 und die zweite Teilhülle aus AI2O3 mit einem

Brechungsindex n^O _von ]_,7 bis 1,8. Die erste Teilhülle kann bevorzugt die erste Hülle vollständig umgeben und die zweite Teilhülle die erste Teilhülle. Insbesondere weisen die erste Hülle und die erste Teilhülle und die erste Teilhülle und die zweite Teilhülle einen direkten Kontakt zueinander auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kern einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm, bevorzugt von einschließlich 1 nm bis einschließlich 10 nm, besonders bevorzugt von einschließlich 2 nm bis

einschließlich 8 nm auf und die Hülle bestehend aus der ersten Hülle und der zweiten Hülle weist eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm, bevorzugt von einschließlich 20 nm bis einschließlich 249,5 nm,

besonders bevorzugt von einschließlich 21 nm bis

einschließlich 249 nm, auf. Dabei kann die erste Hülle eine Dicke von einschließlich 2 nm bis einschließlich 150 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 15 nm und einschließlich 50 nm, und die zweite Hülle eine Dicke von einschließlich 20 nm bis einschließlich 150 nm aufweisen. Insgesamt weisen die Quantenpunkte dabei einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm auf. Die erste Hülle

gewährleistet mit einer solchen Dicke gute elektrische

Transporteigenschaften von Ladungsträgern von der ersten Hülle zum Kern und die zweite Hülle bewirkt mit solchen

Dicken gute Streueigenschaften.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die

Quantenpunkte erste und zweite Quantenpunkte. Beispielsweise kann sich der Durchmesser des Kerns, das Material des Kerns, das Material der Hülle, die Dicke der Hülle und/oder der

Durchmesser der ersten und zweiten Quantenpunkte voneinander unterscheiden .

Bei der Verwendung von ersten und zweiten Quantenpunkten mit unterschiedlichen Durchmessern, der bei beiden zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 500 nm liegt, kann die optimale Streuwirkung für eine blaue Primärstrahlung und eine Sekundärstrahlung im grünen bis roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums eingestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Streuung von blauem Licht bei einem

gegebenen Durchmesser der Quantenpunkte größer ist als die für grünes und rotes Licht. Die Streuung der blauen

Primärstrahlung kann durch Variation der Durchmesser der

Quantenpunkte so eingestellt werden, dass die Primärstrahlung effizient von den Quantenpunkten absorbiert wird. Des

Weiteren kann die Streuung der Sekundärstrahlung durch eine geeignete Wahl des Durchmessers der Quantenpunkte so

optimiert werden, dass die Sekundärstrahlung effizient aus dem Konversionselement ausgekoppelt wird.

Insbesondere können beispielsweise die ersten Quantenpunkte einen Durchmesser von einschließlich 50 nm bis einschließlich 80 nm aufweisen und die zweiten Quantenpunkte einen

Durchmesser von 80 nm bis einschließlich 100 nm aufweisen. Je größer der Durchmesser der Quantenpunkte, desto größer ist die Streuwirkung. Auch durch eine Optimierung der Brechungsindices und/oder der Extinktionskoeffizienten der Materialien der Quantenpunkte, insbesondere der Materialen der Hülle, kann die Streuung der Primärstrahlung für eine effiziente Absorption und/oder die Streuung der Sekundärstrahlung für eine effiziente

Lichtauskopplung angepasst werden.

Das optoelektronische Bauelement kann ein Gehäuse umfassen. In dem Gehäuse kann in der Mitte eine Ausnehmung vorhanden sein. Die Primärstrahlungsquelle kann in der Ausnehmung angebracht sein. Es ist auch möglich, dass die Ausnehmung mit einem die Primärstrahlungsquelle abdeckenden Verguss

aufgefüllt ist. Die Ausnehmung kann aber auch aus einem

Luftraum bestehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das

Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet, das über der Primärstrahlungsquelle angeordnet ist. Das Plättchen kann direkt in mechanischem Kontakt zu der Primärstrahlungsquelle stehen oder von dieser beabstandet angeordnet sein.

Die Schichtdicke des gesamten Plättchens kann gleichmäßig sein. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden. Beispielsweise liegt die Schichtdicke zwischen 500 nm und 500 ym.

Das Plättchen kann gemäß zumindest einer Ausführungsform direkt auf der Primärstrahlungsquelle aufgebracht sein. Es ist möglich, dass das Plättchen die gesamte Oberfläche der Primärstrahlungsquelle bedeckt.

In einer Ausführungsform ist das Plättchen über der

Ausnehmung des Gehäuses angeordnet. Bei dieser

Ausführungsform des Konversionselements besteht kein direkter und/oder formschlüssiger Kontakt des Konversionselements mit der Primärstrahlungsquelle. Das heißt, dass zwischen dem Konversionselement und der Primärstrahlungsquelle ein

Abstand bestehen kann. Mit anderen Worten ist das

Konversionselement der Primärstrahlungsquelle nachgeordnet und wird von der Primärstrahlung angestrahlt. Zwischen

Konversionselement und der Primärstrahlungsquelle kann dann ein Verguss oder ein Luftspalt ausgebildet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Haftschicht zwischen der Primärstrahlungsquelle und dem Plättchen oder zwischen dem Plättchen und dem Gehäuse angeordnet. Zusätzlich kann eine Haftschicht zwischen dem Plättchen und dem Verguss angeordnet sein.

Dass eine Schicht oder ein Element "zwischen zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist", kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine

Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder

elektrischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zu einem der zwei anderen Schichten oder Elementen und in direktem

mechanischem und/oder elektrischem Kontakt oder elektrischem oder in mittelbarem Kontakt zu anderen Schichten oder

Elementen angeordnet ist. Dabei können bei mittelbarem

Kontakt dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten

beziehungsweise zwischen dem einen und zumindest einem der zwei anderen Elemente angeordnet sein.

Es ist möglich, dass das Plättchen separat hergestellt wird und auf die Primärstrahlungsquelle aufgebracht ist. In diesem Fall kann eine Haftschicht zur Fixierung des Plättchens auf der Schichtenfolge oder dem Gehäuse aufgebracht sein.

In einer Ausführungsform umfasst die Haftschicht ein Silikon oder besteht aus einem Silikon.

In einer Ausführungsform ist das Plättchen direkt auf der Primärstrahlungsquelle oder dem Gehäuse hergestellt. Dies erweist sich insbesondere bei Plättchen mit geringen

Schichtdicken als vorteilhaft.

In einer Ausführungsform ist das Konversionselement Teil eines Vergusses der Primärstrahlungsquelle beispielsweise der Schichtenfolge oder das Konversionselement bildet den

Verguss .

In einer Ausführungsform ist das Konversionselement als eine Schicht ausgebildet. Die Schicht kann über der

Strahlungsaustrittsfläche der Primärstrahlungsquelle oder über der Strahlungsaustrittsfläche und den Seitenflächen der Primärstrahlungsquelle angeordnet sein. Bei dem optoelektronischen Bauelement kann es sich um eine lichtemittierende Diode (LED) handeln.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Figuren 1 und 2 zeigen schematische Seitenansichten

verschiedener Ausführungsformen von optoelektronischen

Bauelementen,

Figur 3 zeigt den Einfluss des Durchmessers von

Titandioxidpartikeln auf die Streueigenschaften,

Figuren 4A, 4B und 4C zeigen Quantenpunkte,

Figur 5A zeigt die relative Effizienz in Abhängigkeit der Konzentration an Titandioxidpartikeln beziehungsweise der Konzentration an herkömmlichen Quantenpunkten, Figur 5B zeigt die relative Effizienz in Abhängigkeit von dem Radius der Quantenpunkte und der Konzentration der

Quantenpunkte . In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen

Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als

maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zum besseren Verständnis

übertrieben groß dargestellt sein.

Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß Figur 1 zeigt einen Träger 5 mit einem Leiterrahmen 6. Auf dem Träger 5 ist eine Schichtenfolge 2 angeordnet, die mit dem Leiterrahmen 6 über Bonddrähte 7 elektrisch verbunden ist. Über der

Schichtenfolge 2 ist ein Konversionselement 3 in Form eines Plättchens angebracht. Das Konversionselement 3 umfasst

Quantenpunkte 3a und ein Matrixmaterial, wobei die

Quantenpunkte 3a in dem Matrixmaterial homogen verteilt sind. Beispielsweise ist das Matrixmaterial ein Silikon. Die

Quantenpunkte 3a weisen beispielsweise einen Kern aus CdSe auf und eine erste Hülle aus CdS . Die Quantenpunkte weisen einen Durchmesser von 80 nm auf. Der Kern 9 weist dabei einen Durchmesser von 4 nm auf und die Hülle eine Dicke von 38 nm. Das Plättchen ist im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht separat dargestellt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird. Durch die Wahl des Durchmessers der

Quantenpunkte 3a kann die Primärstrahlung an den

Quantenpunkten effektiv gestreut werden. Durch die effektive Streuung der Primärstrahlung an den Quantenpunkten 3a wird die Absorptionswahrscheinlichkeit der Primärstrahlung durch die Quantenpunkte 3a erhöht und damit die Ausbeute an

Sekundärstrahlung. Zudem wird die von den Quantenpunkten 3a emittierte Sekundärstrahlung durch die Quantenpunkte 3a gestreut, so dass diese effektiv nach außen an die Umgebung ausgekoppelt werden kann. Die Quantenpunkte 3a dienen damit erfindungsgemäß zum einen als Streupartikel zur effektiven Streuung der Primärstrahlung sowie auch der Sekundärstrahlung als auch zur Konversion der Primärstrahlung. Damit können zur Erzielung einer gewünschten Lichtausbeute weniger

Quantenpunkte 3a als herkömmlich eingesetzt werden. Die

Konzentration an Quantenpunkten 3a kann also gering gehalten werden. Dies ist besonders bei Cadmium-haltigen

Quantenpunkten wichtig, da die Cadmium-Konzentration nach den Bestimmungen des REACH und des ROHS gewisse Grenzwerte nicht überschreiten darf. Durch die Hülle kann vermieden werden, dass sich die Kerne der Quantenpunkte 3a räumlich zu nahe kommen, was Energieverluste durch nichtstrahlende Prozesse zur Folge hätte. Zudem dient die Hülle dazu nichtstrahlende Rekombination von Ladungsträgern auf der Oberfläche des Kerns zu unterdrücken (Passivierung) . Zudem sind die Quantenpunkte 3a durch die Hülle vor Feuchte und Sauerstoff geschützt.

Somit kann zudem einem frühseitigen Ausfall des

optoelektronischen Bauelements 1 vorgebeugt werden und die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements 1 verlängert werden .

Zusätzlich kann zwischen der Schichtenfolge 2 und dem

Konversionselement 3 eine Haftschicht (hier nicht gezeigt) angebracht sein. Die Haftschicht kann beispielsweise Silikon umfassen oder daraus bestehen. Es ist möglich, dass das

Silikon der Haftschicht dem Silikon des Matrixmaterials des Konversionselements 3 entspricht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem optoelektronischen

Bauelement 1 um eine LED, wobei die Strahlung nach oben über eine transparente Halbleiterschichtenfolge 2 und das

Konversionselement 3 ausgekoppelt wird. Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß Figur 2 zeigt einen Träger 5 mit einem Leiterrahmen 6 und ein Gehäuse 8. Das Gehäuse 8 weist in der Mitte eine Ausnehmung auf, in der die Schichtenfolge 2 angeordnet ist, die mit dem Leiterrahmen 6 elektrisch leitend verbunden ist. Die Ausnehmung ist mit einem Verguss 4 aufgefüllt. Der Verguss 4 umfasst

beispielsweise ein Silikon. Über der Ausnehmung des Gehäuses 8 und dem Gehäuse 8 ist ein Konversionselement 3 angeordnet. Das Konversionselement 3 ist in Form eines Plättchens ausgebildet und ist in dem

Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung

angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht separat dargestellt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird.

Das Konversionselement 3 umfasst Quantenpunkte 3a und ein Silikon als Matrixmaterial, wobei die Quantenpunkte 3a in dem Silikon homogen verteilt sind. Die Quantenpunkte 3a weisen beispielsweise einen Kern aus InP, eine erste Hülle aus GaP und eine zweite Hülle aus Zr02 auf. Das Silikon weist einen anderen Brechungsindex auf wie das Zr02 der zweiten Hülle.

Dadurch können die Primär-und die Sekundärstrahlung effizient gestreut werden.

Figur 3 zeigt den Einfluss des Durchmessers von

Titandioxidpartikeln auf die Streueigenschaften. Auf der y- Achse ist die relative Streueffizienz (rS) und auf der x- Achse der Durchmesser von Ti02~Partikeln in Nanometern aufgetragen. Wie ersichtlich, wird blaues Licht (B) bei einem gegebenen Partikeldurchmesser stärker gestreut rotes Licht (R) . Die Streueffizienz von grünem Licht (nicht gezeigt) liegt zwischen der von blauem und rotem Licht. Figur 4A zeigt einen Quantenpunkt 3a. Dieser weist einen Kern 9, beispielsweise aus CdSe, und eine erste Hülle 10a aus CdS auf. Die Quantenpunkte 3a weisen einen Durchmesser d von einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm,

beispielsweise 70 nm, auf. Der Kern 9 weist dabei einen

Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm auf und die erste Hülle 10a eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm auf.

Figur 4B zeigt einen Quantenpunkt 3a. Dieser weist einen Kern 9, beispielsweise aus CdSe, eine erste Hülle 10a aus CdS und eine zweite Hülle aus Ti02 auf. Die Quantenpunkte 3a weisen einen Durchmesser d von einschließlich 50 nm bis

einschließlich 500 nm, beispielsweise 120 nm, auf. Der Kern 9 weist dabei einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm auf und die Hülle 10 eine Schichtdicke von einschließlich 25 nm bis einschließlich 249,5 nm. Die erste Hülle 10a weist dabei eine Dicke von einschließlich 2 nm bis einschließlich 150 nm auf. Die erste Hülle

gewährleistet mit einer solchen Dicke gute elektrische

Transporteigenschaften von Ladungsträgern von der ersten Hülle zum Kern und die zweite Hülle bewirkt mit solchen

Dicken gute Streueigenschaften der Quantenpunkte.

Figur 4B zeigt einen Quantenpunkt 3a. Dieser weist einen Kern 9, beispielsweise aus CdSe, eine erste Hülle 10a aus CdS und eine zweite Hülle auf. Die zweite Hülle 10b weist eine erste Teilhülle 10b-l aus Ti02 und eine zweite Teilhülle 10b-l aus AI2O3 auf. Die Quantenpunkte 3a weisen einen Durchmesser d einschließlich 50 nm bis einschließlich 500 nm auf. Der Kern 9 weist dabei einen Durchmesser von einschließlich 1 nm bis einschließlich 20 nm auf und die Hülle 10 eine Schichtdicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 249,5 nm. Die erste Hülle 10a weist dabei eine Dicke von einschließlich 15 nm bis einschließlich 150 nm auf. Die Diagramme der Figuren 5A und 5B wurden mit dem Programm "LightTools" simuliert. Die der Simulation zugrunde gelegten optoelektronischen Bauelemente weisen ein herkömmliches Gehäuse mit einem Halbleiterchip auf, der eine

Primärstrahlung von 450 nm emittiert (Volumen emittierender Saphir-Chip; Iblau/^rot ^< 0,01; Cx = 0,69) . Es wird von einer Vollkonversion der Primärstrahlung ausgegangen. Die

Streueigenschaften der Ti02-Partikel beziehungsweise der

Quantenpunkte wurden anhand der Mie-Streutheorie bei

angenommenen homogenen sphärischen Partikeln in einem

Matrixmaterial aus hochbrechendem Silikon mit einem

Brechungsindex n^O _von ^53 berechnet. Der angenommene

Brechungsindex der erfindungsgemäßen Quantenpunkte, die aus einem Kern, einer ersten und einer zweiten Hülle bestehen, entspricht einem gemittelten Brechungsindex der Materialien der Quantenpunkte. Diese Näherung des Brechungsindex der erfindungsgemäßen Quantenpunkte ist berechtigt, da der

Durchmesser der Quantenpunkte viel kleiner als die

Wellenlänge des Lichts ist. Der Durchmesser der Quantenpunkte bis einschließlich zur ersten Hülle wurde in dieser

Simulation zu 20 nm angenommen. Die Absorptionen, bis auf die der ersten Hülle aus CdS (Absorption bekannt aus der

Literatur), wurden vernachlässigt. Die Ergebnisse lassen sich nur erzielen, wenn die Partikelgrößen, wie bei der

Simulation, deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts Die angegebene relative Effizienz bezieht sich auf die emittierte Leistung des Halbleiterchips bei 450 nm. Das Diagramm der Figur 5A bezieht sich auf ein herkömmliches Bauelement mit einem Konversionselement, in dem Ti02-Partikel mit einem Durchmesser von 200 nm und Quantenpunkte mit einem Durchmesser von 10 nm homogen in einem Matrixmaterial aus hochbrechendem Silikon verteilt sind. Es ist ersichtlich, dass die relative Effizienz E zunächst mit der Konzentration an Ti02-Partikeln (c(Ti02)) steigt, bis eine optimale

Konzentration (etwa 10^ Ti02-Partikel pro mm^) erreicht ist, die sich aus einer Wechselwirkung zwischen einer erhöhten optischen Auskopplung, Zurückstreuung und Reabsorption ergibt. Durch die Streuung der Primärstrahlung an den 1O2-

Partikeln legt die Primärstrahlung im Mittel eine längere Wegstrecke in dem Konversionselement zurück, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Absorption durch die Quantenpunkte steigt. Bei der optimalen Konzentration an Ti02-Partikeln können unter Steigerung der Effizienz um etwa 3 % etwa 20 % weniger herkömmliche Quantenpunkte verwendet werden im

Vergleich zu einem Konversionselement ohne Ti02-Partikel .

Eine Erhöhung der Konzentration der Quantenpunkte würde durch Zurückstreuung und durch Reabsorption verursachte Verluste der internen Quanteneffizienz zu einem Effizienzabfall führen. Unter der internen Quanteneffizienz ist die Anzahl der emittierten Photonen der Sekundärstrahlung pro Anzahl der absorbierten Photonen der Primärstrahlung zu verstehen. Die interne Quanteneffizient beschreibt also den Verlust an

Ladungsträgern durch nicht-strahlende Rekombination neben der Absorption der Primärstrahlung und der Emission der

Sekundärstrahlung. Die Verluste der internen Quanteneffizienz können durch Reabsorptionsprozesse der Sekundärstrahlung noch verstärkt werden. Die Effizienz dieses Bauelements kann durch das Vorhandensein der Ti02-Partikel erhalten bleiben, wenn etwa 40 % weniger herkömmliche Quantenpunkte verwendet werden im Vergleich zu einem Konversionselement ohne Ti02-Partikel .

Das Diagramm der Figur 5B bezieht sich auf ein

optoelektronisches Bauelement mit einem Konversionselement, in dem Quantenpunkte mit unterschiedlichem Radius (r) homogen in einem Matrixmaterial aus hochbrechendem Silikon mit einem Brechungsindex n^O _von 1 53 verteilt sind. Der Radius entspricht dabei dem halben Durchmesser. Die Quantenpunkte weisen einen Kern, eine erste Hülle aus CdS und eine zweite Hülle aus Ti02 mit einem Brechungsindex n^O _von 2,4

(ausgefüllte Kreise, ausgefüllte Dreiecke) oder AI2O3 mit einem Brechungsindex n^O _von ]_,8 (offene Kreise, offene

Dreiecke) auf. Da der Durchmesser des Kerns im Vergleich zu der Dicke der ersten Hülle sehr klein ist, wird nährungsweise auch von einem CdS-Kern ausgegangen. Die Quantenpunkte dienen als Streu-und Konverterpartikel. Damit sind in dem erfindungsgemäßen Bauelement die Konzentration an Streu- und Konverterpartikel identisch. Es entsteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad durch die Variation der Dicke der zweiten Hülle und damit des Durchmessers der Quantenpunkte. Dadurch, dass die Streu- und Konverterpartikel dieselben Quantenpunkte sind, kann jede Streuung von Primärstrahlung auch zu einer Konversion führen, was bei separaten Streu- und

Konverterpartikeln nicht der Fall ist. Unter Steigerung der Effizienz um etwa 3 % können etwa 50 % weniger der

erfindungsgemäßen Quantenpunkte verwendet werden im Vergleich zu einem Konversionselement mit herkömmlichen Quantenpunkten, die einen Durchmesser unter 20 nm aufweisen. Die Effizienz dieses Bauelements kann im Vergleich zu einem Bauelement mit herkömmlichen Quantenpunkten erhalten bleiben, wenn etwa 75 % weniger Quantenpunkte verwendet werden. Im Vergleich zu dem unter 5A beschriebenen Bauelement bedeutet dies eine

Ersparnis an Quantenpunkten um einen Faktor 2. Dies kann insbesondere hinsichtlich gesetzlicher Restriktionen wie REACH oder ROHS bei der Verwendung von Cd-haltigen

Quantenpunkten ein wesentliches Kriterium für die Bauelemente sein, um diese überhaupt auf den Markt zu bringen.

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.

Bezugs zeichenliste

1 optoelektronisches Bauelement

2 Schichtenfolge

3 Konversionselement

3a Quantenpunkt

4 Verguss

5 Träger

6 Leiterrahmen

7 Bonddraht

8 Gehäuse

9 Kern

10 Hülle

10a erste Hülle

10b zweite Hülle

10b-l erste Teilhülle

10b-2 zweite Teilhülle

d Durchmesser eines Quantenpunktes r Radius

rS relative Streueffizienz

B blaues Licht

R rotes Licht

nm Nanometer

ym Mikrometer

c Konzentration

mm^ Kubikmillimeter

E relative Effizienz

Brechungsindex