説明

混合光を生成するための装置、および該装置の製造方法

本願で開示される発明は、混合光を生成するのに使用される装置と、該装置の製造方法とに関する。ここでは、1次電磁放射を送出する半導体チップは、1次放射の射線経路にルミネセンス変換エレメントを有する。さらに本装置は、結合エレメントおよび担体エレメントを有し、該担体エレメントは前記ルミネセンス変換エレメントおよび該結合エレメントを担持して成形する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、独国特許出願第102007003808.0号および独国特許出願第102007006349.2号の優先権を主張するものであり、その開示内容は引用によって本願の開示内容に含まれるものとする。
【0002】
本発明は、混合光を少なくとも1つの半導体素子によって生成するために使用される装置、ないしは該装置の製造方法に関する。
【0003】
現在、多くの分野で混合光源が使用される。たとえば画像再生技術ないしは投影技術の分野において、また、たとえば懐中電灯等の簡単な用途でも、混合光源が見られる。このような混合光源の使用に依存して、種々の色の混合光源が生成される。
【0004】
懐中電灯で使用するためには、混合光源は有利には白色光源として構成される。その際には、可視波長領域の可能な限り多くの波長を同時に生成および送出すること、すなわち380nm〜780nmの可能な限り多くの波長を同時に生成および送出することを目的とする。混合光源をエネルギー蓄積器によって動作させるためには、高色忠実度の他に、エネルギー収支が非常に良好であることが有利である。このことによって、照射されるオブジェクトを可能な限り高信頼性で反射し、オブジェクトの通常の客観的な知覚が得られることが保証される。また、混合光源の長時間動作を維持するためには、エネルギー効率が高いことが有利である。
【0005】
混合光源は現在、半導体によって生成され、それと同時にいわゆる原色を加法的に重畳を行うことによって生成されることが多い。この原色は、たとえばLED等である発光半導体チップによって生成された電磁放射であり、この電磁放射は、可視波長領域に対して比較的狭幅の波長領域の電磁放射である。たとえば625nm〜740nmの領域内の波長を生成すると赤色になり、520nm〜565nmの領域内の波長を生成すると緑色になり、450nm〜500nmの領域内の波長を生成すると青色になる。また、別の波長領域も考えられる。このような色を異なる組み合わせで同時に重畳することにより、種々の色の混合光が生成される。
【0006】
このような原色の重畳は、従来は加法混色によって行われていた。たとえば画像再生ないしは投影技術では、赤色、緑色および青色のサブピクセルすなわち画素の下位要素を異なって駆動制御する。このような駆動制御によって、これらの色が異なって重畳される。観察者が画像再生機器ないしは投影面から十分に離れている場合にこのような画素の数が多いと、加法混色によって多色画像の印象が得られる。
【0007】
さらに、混合光源を生成するために別の手段が適用される。その際にはたいてい、所定の狭幅の波長領域の電磁放射を送出する半導体素子を使用する。この放射は以下では1次放射と称される。その際には、この電磁放射は必ずしも、完全または部分的に可視波長領域内になくてもよい。この放射はルミネセンス変換エレメントによって少なくとも部分的に2次波長に変換される。
【0008】
この1次放射を生成するためには、半導体素子内に存在する半導体チップのpn接合部の活性層にたとえば異なってドーピングする。エネルギーレベルスキームのこのようにして得られた異なるエネルギーレベル差はバンドギャップとも称され、このようなエネルギーレベル差によって、異なる波長の光が放出される。この送出される光の波長はエネルギーレベル差に直接依存し、ドーピングによって条件付きで調整することができる。
【0009】
半導体チップの送出された1次波長は、ルミネセンス変換エレメントによって少なくとも部分的に2次波長に変換される。ここで重要なのは、変換される光子すべてを新しい2次波長に同様に変換するためには、半導体チップの1次放射の送出される光子すべてがルミネセンス変換エレメント内で通る距離が光学的に等しくなるように、該1次放射の射線経路に該ルミネセンス変換エレメントを挿入することである。
【0010】
ルミネセンス変換エレメントによってこの1次波長を2次波長に変換する半導体素子は、非常に高コストかつ面倒な工程で製造される。このような半導体素子の製造で目的とされることはとりわけ、生成される混合光の波長スペクトルが該半導体素子の放射領域全体にわたって可能な限り一定になるように、ルミネセンス変換エレメントを発光半導体チップの射線経路に挿入することである。波長スペクトルを一定にするためには、現在はスクリーン印刷法および沈殿法を使用するのが普通である。また、ルミネセンス変換エレメントを発光半導体チップから空間的に分離する別の手法もある。
【0011】
スクリーン印刷法で製造する際にはたとえば、半導体チップのコンタクト面が露出状態に維持されることを保証しなければならない。こうするためには、ボンディング場所を除染する必要がある。さらに、発光半導体チップの側縁長が短いという別の問題もある。また、数μmでは、蛍光体を半導体チップに直接配置するのは現在のところ困難である。このような製造手法、ならびにこのような製造手法に必要な製造機器の洗浄は面倒であるために非常に高コストである。
【0012】
混合光源を沈殿法によって製造するためには、蛍光体を樹脂と混合してチップ表面に配置しなければならない。ここでは、両物質の粘性が異なることを利用する。時間が経過すると、蛍光体材料が希薄な樹脂から沈殿して両物質が分離することにより、両物質は相互に分離される。また、所定の閾値温度になると蛍光体が沈殿する温度処理によっても、粘性を制御することもできる。
【0013】
これら双方の手法によって、半導体素子全体の放射特性に対して、放出される混合光波長の波長スペクトルの変動が可能な限り小さく抑えられるように、蛍光体を配置することができる。しかし、これらの手法の欠点は、一定にするための手間が大きいことである。
【0014】
本発明の課題は、簡単な処理条件で生成でき、かつ安定的な波長スペクトルを有する混合光を生成することである。さらに、放射場所にわたって送出される混合光の波長スペクトルの変動を可能な限り小さくし、エネルギー効率を高くしなければならない。前記課題は、独立請求項に記載された特徴によって解決される。
【0015】
本発明では混合光を生成するために、1次電磁放射を送出する少なくとも1つの半導体チップを有する装置を提供する。この半導体チップは、射線経路にルミネセンス変換エレメントと結合エレメントと担体エレメントとを有する。この担体エレメントはルミネセンス変換エレメントを成形するエレメントであり、ルミネセンス変換エレメントは担体エレメントによって射線経路に挿入される。ここで有利なのは、成形によってルミネセンス変換エレメントを射線経路に挿入する担体エレメントである。
【0016】
さらに、混合光を生成する装置の製造方法も提供する。この装置では、半導体チップによって生成された1次電磁放射をルミネセンス変換エレメントによって少なくとも部分的に2次電磁放射に変換する。このルミネセンス変換エレメントは、担体エレメントにおいてルミネセンス変換エレメントが均質に分布するように、該担体エレメントによって半導体チップの1次放射の射線経路に位置決めてこれと結合される。結合エレメントおよび担体エレメントが、送出すべき混合光波長に対して透過性になるように両エレメントを有利に形成することによって、混合光の最大透過率が実現される。このように装置を製造することによって、このような装置の製造プロセスが格段に簡単になる。
【0017】
従属請求項に本発明の別の有利な構成が記載されている。
【0018】
所定の波長の混合光を生成するためには、半導体チップによって実現される装置を提案する。少なくとも1つの半導体チップが射線経路にルミネセンス変換エレメントを有し、該半導体素子が1次波長を送出する場合。この1次電磁放射は少なくとも部分的に2次電磁放射に変換される。このような装置の利点は、複数の半導体素子を使用する代わりに1つの半導体素子を使用して混合光を生成できることである。このような成形を行う担体エレメントがルミネセンス変換エレメントを射線経路に挿入することにより、送出される混合光の波長領域が放射場所にわたって一定になる。
【0019】
ルミネセンス変換エレメントを担体エレメント内に位置決めすることによって、所期のように位置決めし、1次放射の変換を最大にすることができる。有利には担体エレメントは、ルミネセンス変換エレメントが均質に分布されるように成形される。このことによって均質なルミネセンス変換層が生成され、変換エレメントによって変換すべき光子すべての光学的距離が一定になる。
【0020】
ルミネセンス変換エレメントを、担体エレメントに形成されたキャビティ内に配置することにより、精確な位置決めを行うことができる。このような構成の利点は、この構成をプロセス技術的に簡単に実現できることである。また、このキャビティ内に結合エレメントを挿入することができる。担体エレメントのキャビティの形状によって、この結合エレメントも均質に配置して分布させ、1次電磁放射の光子がこの結合剤を通過して伝搬するときの光学的伝搬距離を一定にすることができる。このようにしてこれらの光子は、2次電磁放射の光を送出する。
【0021】
ルミネセンス変換エレメントを蛍光体の形態で形成することにより、該ルミネセンス変換エレメントを樹脂混合物とともに半導体チップの射線経路に挿入することができる。
【0022】
担体エレメントを光学的エレメントとして形成することにより、たとえばレンズ作用を生じさせるために、放射される混合光波長を光学的に偏向することができる。このようにして、放射場所における送出すべき混合光の波長領域の変動が補償され、さらに、半導体素子のエネルギー効率をより高くすることができる。
【0023】
有利には、半導体チップの表面および結合エレメントの表面は平坦に形成される。このことによって、表面の法線に対して平行に光を送出することができ、1次電磁放射の散乱光が阻止される。結合エレメントを、送出すべき混合光に対して透過性に形成すると、さらに有利である。このことによってエネルギー効率が増大される。というのも、結合エレメントはエネルギーを吸収しないからである。担体エレメントと半導体チップとを結合する結合エレメントの必要な保持力は、たとえば接着または押圧力および引張力によって生成される。
【0024】
以下で、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について説明する。この場合、同じ構成要素または同じ機能を有する構成要素の図にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。また、図示されている構成要素は縮尺どおりに描かれたものではなく、理解を深める目的でむしろ個々の構成要素が過度に大きく、簡略化して描かれている場合もある。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】ルミネセンス変換エレメントおよび結合エレメントに対するキャビティを有する担体エレメントの概略図である。
【図2】混合光を生成するための装置の第1の実施例を示す概略図である。
【図3】混合光を生成するための装置の第2の実施例を示す概略図である。
【0026】
図1に、ルミネセンス変換エレメント3および結合エレメント4に対するキャビティ2を有する担体エレメント1が概略的に示されている。
【0027】
担体エレメント1はここでは半球の形状で形成されている。同図では、この半球の中心点の2次元の断面が示されている。この半球の基面は、同時に半導体チップ5とのコンタクト面でもあり、この基面では表面は平坦に形成されず、開放されたキャビティ2が形成される。このキャビティは3つの部分空間2a,2bおよび2cに分割され、これらの部分空間は、基面に対して平行な異なる平面にある。ここでは部分空間2bおよび2cは同一平面にある。半球の中心点から遠くに離れたキャビティ2aの平面が、ルミネセンス変換エレメント3を配置および位置決めするのに使用される。キャビティ2bは結合エレメント4を位置決めおよび配置するのに使用され、キャビティ2cはボンディングワイヤ5bのための位置決めホルダとなる。
【0028】
図2は、混合光を生成するための装置の第1の実施例を示す概略図である。図2aには、図1で紹介された担体エレメント1の形状が改めて示されている。調量ユニット7aによって、ルミネセンス変換エレメント3が図2bでは、該ルミネセンス変換エレメント3のために設けられたキャビティ内に配置される。
【0029】
図2cではさらに、この装置の別の調量ユニット7bによって結合エレメント4が付け足され、結合エレメント4はそのために設けられたキャビティ2b内に挿入される。この実施例では、接着材の形態の結合エレメントが使用される。ルミネセンス変換エレメント3はここですでにキャビティ2a内に位置決めされている。図2dでは、ルミネセンス変換エレメント3および結合エレメント4が配置されて均質に設けられた担体エレメント1が示されている。図2eでは、コンタクト端子5aとボンディングワイヤ5bとケーシング5cと半導体チップ5dとから成るLED支持体5が、組立ステップ6で2dの構成と組み合わされる。図2fに、担体エレメント1と蛍光体3と結合エレメント4とLED支持体5とから成る完全な装置が示されている。
【0030】
結合エレメントは保持力を加えるために使用されることに留意すべきである。図2の実施形態では、結合エレメントは接着力を与えるエレメントとして設けられ、たとえば接着材として設けられ、これによって、LED支持体5と担体エレメント1との間に理想的には原子レベルで保持力が得られる。
【0031】
図2に示された実施例では、キャビティはルミネセンス変換エレメント3および結合エレメント4を配置し、両エレメントを均質に配置するために使用される。図2では、平坦に挿入された両エレメントを認識できる。理想的には、半導体チップ5eの表面も平坦である。このような構成によって有利には、表面の法線に対して平行に1次放射が送出される。
【0032】
このようにしてキャビティの精確な形状により、たとえばスクリーン印刷や沈殿法等の面倒な工程を必要とせずに、両エレメント3および4を配置して位置決めし、均質に配置することができる。両材料をこのように均質に配置することにより、射線経路の各区間で送出される1次波長は、両エレメント3および4を通過する際に等しい光学的距離をとるようになり、少なくとも部分的に、1次放射中に主に含まれる1次波長は、変換後の2次放射に含まれる2次波長に変換される。
【0033】
担体エレメントがさらに、たとえば散乱レンズまたは集光レンズ等の光学的エレメントとして形成されている場合、混合光は光学的に偏向され、かつ、集束されて光強度が上昇される。このようにして得られたジオメトリにより、生成される混合光の波長領域の変動は最小になる。
【0034】
図3は、混合光を生成するための装置の第2の実施例を示す概略図である。上図との重要な相違点は、担体エレメント1の形状である。この図では、キャビティ2はルミネセンス変換エレメント3およびボンディングワイヤ5bに対してのみ設けられている。図3bは図2cと等価である。図3cでは、ルミネセンス変換エレメント3が設けられた担体エレメント1がLED担体5と組み立てられる6。図3dには、担体エレメント1とLED担体5とルミネセンス変換エレメント3と結合エレメント4とを有する完全な装置が示されている。
【0035】
この実施例では、半導体チップ5eおよび担体エレメント1のジオメトリは、組み合わされたとき6にプレス嵌めされるように選択される。このように組み立てることによって保持力が生成され、この保持力は、半導体チップ5eの接触面と担体エレメント1の接触面との摩擦だけで生じる。このような機械的な保持力は付加的に、アンダーカット、特別な幾何学的成形、係止、付加的な機械的保持エレメント等によって生成するかまたは上昇することができる。これらは詳細に図示されていない。
【0036】
上記の本発明は、混合光を生成するのに使用される装置と、該装置の製造方法とに関する。ここでは、1次電磁放射を送出する半導体チップは、1次放射の射線経路にルミネセンス変換エレメントを有する。さらに本装置は、結合エレメントおよび担体エレメントを有し、該担体エレメントは前記ルミネセンス変換エレメントおよび該結合エレメントを担持して成形する。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
混合光を生成するための装置において、
1次電磁放射を送出する少なくとも1つの半導体チップ(5e)と、該半導体チップ(5e)の1次電磁放射の射線経路に設けられたルミネセンス変換エレメント(3)と、結合エレメント(4)と、該ルミネセンス変換エレメント(3)を成形する担体エレメント(1)とを有し、
前記ルミネセンス変換エレメント(3)は、前記担体エレメント(1)によって前記射線経路に挿入されていることを特徴とする装置。
【請求項2】
前記ルミネセンス変換エレメント(3)は前記1次電磁放射を少なくとも部分的に2次電磁放射に変換する、請求項1記載の装置。
【請求項3】
前記半導体チップ(5e)はLED支持体(5)に結合されており、
前記ルミネセンス変換エレメント(3)は前記担体エレメント(1)によって前記半導体チップ(5e)に対して位置決めされている、請求項2記載の装置。
【請求項4】
前記ルミネセンス変換エレメント(3)は均質に配置されるように、前記担体エレメント(1)によって成形される、請求項3記載の装置。
【請求項5】
前記ルミネセンス変換エレメント(3)を位置決めするために、前記担体エレメント(1)にキャビティ(2)が設けられている、請求項4記載の装置。
【請求項6】
前記結合エレメント(4)を位置決めするために前記担体エレメント(1)のキャビティ(2)が使用される、請求項5記載の装置。
【請求項7】
前記ルミネセンス変換エレメント(3)は蛍光体の形態で形成されている、請求項6記載の装置。
【請求項8】
前記担体エレメント(1)は光学的エレメントである、請求項7記載の装置。
【請求項9】
前記半導体チップ(5e)の表面は平坦である、請求項8記載の装置。
【請求項10】
前記結合エレメント(4)の表面は平坦である、請求項9記載の装置。
【請求項11】
前記結合エレメント(4)は、送出すべき前記混合光(4)に対して透過性である、請求項10記載の装置。
【請求項12】
前記結合エレメント(4)は、前記担体エレメント(1)と前記LED支持体(5)との間の保持力を接着によって生成する、請求項11記載の装置。
【請求項13】
前記結合エレメント(4)は、前記担体エレメント(1)と前記LED支持体(5)との間の保持力を機械的に生成する、請求項11記載の装置。
【請求項14】
混合光を生成するための装置の製造方法において、
1次電磁放射を生成する少なくとも1つの半導体チップ(5e)を設け、担体エレメント(1)によってルミネセンス変換エレメント(3)を該1次電磁放射の射線経路に位置決めし、結合エレメント(4)によって該半導体チップ(5)に結合することを特徴とする製造方法。
【請求項15】
前記ルミネセンス変換エレメント(3)の位置決めを、前記担体(1)のキャビティ(2)によって行う、請求項14記載の製造方法。
【請求項16】
前記ルミネセンス変換エレメント(3)を前記キャビティによって均質に配置する、請求項15記載の製造方法。
【請求項17】
前記結合エレメント(4)によって、前記担体エレメント(1)と、前記半導体チップ(5e)に結合されたLED担体(5)との間の保持力を接着によって生成する、請求項16記載の製造方法。
【請求項18】
前記結合エレメント(4)を前記担体エレメント(1)のキャビティ(2)内に位置決めし、均質に配置する、請求項17記載の製造方法。
【請求項19】
前記結合エレメント(4)によって、前記担体エレメント(1)と、前記半導体チップ(5e)に統合されるLED担体(5)との間の保持力を機械的に生成する、請求項16記載の製造方法。
【請求項20】
生成された前記混合光は、前記結合エレメント(4)および前記担体エレメント(1)によって最大に透過される、請求項16記載の製造方法。
【請求項21】
前記半導体チップ(5)、前記結合エレメント(4)および前記担体エレメント(1)は平坦な表面を有する、請求項20記載の製造方法。
【請求項22】
前記担体エレメント(1)は、生成された混合光を光学的に偏向する、請求項21記載の製造方法。

【図1】
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【図2a】
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【図2b】
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【図2c】
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【図2d】
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【図2e】
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【図2f】
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【図3a】
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【図3b】
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【図3c】
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【図3d】
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【公表番号】特表2010−517228(P2010−517228A)
【公表日】平成22年5月20日(2010.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−546648(P2009−546648)
【出願日】平成20年1月23日(2008.1.23)
【国際出願番号】PCT/DE2008/000125
【国際公開番号】WO2008/089740
【国際公開日】平成20年7月31日(2008.7.31)
【出願人】(599133716)オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (586)
【氏名又は名称原語表記】Osram Opto Semiconductors GmbH
【住所又は居所原語表記】Leibnizstrasse 4, D−93055 Regensburg, Germany
【Fターム(参考)】