JP2009506557A - オプトエレクトロニクスデバイス - Google Patents

Abstract

オプトエレクトロニクスデバイスが記載されている。ここでこのオプトエレクトロニクスデバイスは半導体ボディ（３）と、別個にされた光学素子（９）とを含んでいる。半導体ボディはオプトエレクトロニクスデバイスの動作中に第１の波長の電磁ビームを放射し、前記光学素子は半導体ボディの放射方向において半導体ボディ（３）の後方に配置されている。光学素子（９）は少なくとも１つの第１の波長変換材料（１０）を有しており、当該波長変換材料は前記第１の波長のビームを、当該第１の波長とは異なる第２の波長のビームに変換する。

Description

本発明は、波長変換材料を有するオプトエレクトロニクスデバイスに関する。

波長変換材料を有するビーム放射型オプトエレクトロニクスデバイスは例えば文献ＷＯ９７/５０１３２号に記載されている。このようなオプトエレクトロニクスデバイスは、半導体ボディを含む。ここでこの半導体ボディは作動時に電磁ビームを送出し、波長変換材料を有している。この波長変換材料は半導体ボディの被覆内に収容されているか、または半導体ボディ上の層内に配置されている。この波長変換材料は、半導体ボディから放射された電磁ビームの一部を、別の波長（通常はより長い波長）を有するビームに変換し、デバイスは混合ビームを送出する。

例えば、文献ＤＥ１０２６１４２８号に記載されているように、ビーム放射型半導体ボディの後に、異なる波長変換材料を含む複数の層を配置することが可能である。これによって、ビームを放射するボディから送出されたビームの異なる成分が、種々異なる波長変換層によって種々異なるスペクトル領域のビームに変換される。

以前には、一方では半導体ボディおよび波長変換材料の効果を高め、他方でこれに関してデバイスケーシングの幾何学的形状を改善することによって、波長変換材料を有するオプトエレクトロニクスデバイスの効果を改善することが試みられた。

本発明の課題は、高い効果を有する、波長変換材料を有するオプトエレクトロニクスデバイスを提供することである。本発明の別の課題は、高い効果と良好な色再現性を同時に有する波長変換材料を有するオプトエレクトロニクスデバイスを提供することである。

前述の課題は、請求項１に記載された特徴部分の構成を有するオプトエレクトロニクスデバイスによって解決される。このオプトエレクトロニクスデバイスの有利な発展形態および構成は、従属請求項２〜２５に記載されている。

高い効果を有するオプトエレクトロニクスデバイスであって、殊に以下のものを有している：
・半導体ボディを有しており、当該半導体ボディはオプトエレクトロニクスデバイスの作動中に第１の波長の電磁ビームを放出し、
・別個の光学素子を有しており、当該光学素子はその放射方向において間隔をあけて前記半導体ボディの後方に配置されており、当該光学素子は少なくとも１つの第１の波長変換材料を含んでおり、当該波長変換材料は前記第１の波長のビームを、前記第１の波長とは異なる第２の波長のビームに変換する。

「間隔をあけて」とはこのコンテキストでは殊に、次のことを意味する。すなわち、光学素子が所定の様式で、半導体ボディとは空間的に別個に配置されていることを意味している。ここで、半導体ボディと光学素子との間には所定の隙間が設けられている。この隙間は波長変換材料を含んでいない。

第１の波長変換材料が、ビーム放射型半導体ボディと間隔をあけて配置されている光学素子によって含まれているので、この第１の波長変換材料も、ビームを生成する半導体ボディと間隔をあけて配置されている。例えば半導体ボディの被覆内でまたは層内で、第１の波長変換材料がビーム放射型半導体ボディと直接的に接しているオプトエレクトロニクスデバイス、殊に半導体ボディのビーム放射前面と直接的に接しているオプトエレクトロニクスデバイスと比較して、有利にはデバイスの効果が高くなる。さらに殊に有利には、波長変換材料は光学素子内に収容される。ここでこの光学素子はビーム形成に用いられ、実質的にデバイスの放射特性を定める。なぜなら、このようにして通常は、高められた放射特性だけでなく、特に均一な放射特性も得られるからである。

特に有利な実施形態では、波長変換材料は粒子を含み、光学素子は、この粒子が組み込まれているマトリックス材料を含む。半導体ボディから放出されたビーム、ならびに波長変換材料によって変換されたビームは通常はこの粒子で散乱され、波長変換材料は任意の方向でビームを放射するので、粒子を含む波長変換材料によって通常はデバイスの放射特性の均一性が高められる。さらに、第１の波長変換材料の粒子を特定の幾何学的形状を有する別個の光学素子内に半導体ボディと間隔をあけて配置することによって次の利点が得られる。すなわち、波長変換材料が直に半導体ボディに接する波長変換素子（例えば層または被覆）内に含まれている場合に比べて、より少ないビーム、殊に変換されたビームが粒子での散乱によって半導体ボディ内に向けて戻され、吸収されるという利点が得られる。

有利な実施形態では、第１の波長は紫外、青および／または緑のスペクトル領域から発生する。波長変換材料は通常、ビームを、より長い波長を有するビームに変換するので、可視スペクトル領域および紫外スペクトル領域の短い波長の終端からの波長は、波長変換材料と併せて用いるのに特に適している。

紫外、青色および／または緑色のビームを放射する半導体ボディは、有利には活性層列を有している。ここでこの活性層列は各スペクトル領域の電磁ビームを放射するのに適しており、かつ窒化物または燐火物をベースとする化合物半導体材料から成る。

前記「窒化物をベースとする化合物半導体材料」は、本発明において、次のことを意味している。すなわち、活性層列またはこの活性層列の少なくとも一部が、窒化物ＩＩＩ／化合物半導体材料、有利にはＡｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_ｌ-ｎ-ｍＮを有しているということを意味している。ここで、０ ≦ ｎ ≦１, ０ ≦ ｍ ≦ １ かつｎ＋ｍ ≦ １である。この際に、この材料は必ずしも前記公式に基づいて数学的に厳密な組成を有していなくてもよい。むしろこの材料は、Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_1-ｎ-ｍＮ材料の物理的特性を実質的に変化させないかぎり、１つまたは複数のドーパントならびに付加的な成分を含有していてよい。ただしわかりやすくするため、部分的に微量の他の材料によって置換可能であるにしても、上述の式には結晶格子の主要な構成要素Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｎだけを表してある。

前記「燐火物をベースとする化合物半導体材料」は、本発明において、活性層列またはこの活性層列の少なくとも一部に燐火物‐ＩＩＩ‐化合物半導体材料、有利にはＡｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_1-ｎ-ｍＰが含まれることを意味している。ここで０ ≦ ｎ ≦１, ０ ≦ ｍ ≦ １ かつｎ＋ｍ ≦ １である。この際に、この材料は必ずしも上述の式に従った数学的に正確な組成を有していなくてもよい。むしろこの材料は、Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_1-ｎ-ｍＰ材料の物理的特性を実質的に変化させないかぎり、１つまたは複数のドーパントならびに付加的な成分を含有していてよい。ただしわかりやすくするため、部分的に微量の他の材料によって置換可能であるにしても、上述の式には結晶格子の主要な構成要素Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐだけが含まれている。

半導体ボディの活性層列は例えばエピタキシャル成長されており、有利にはｐｎ接合部、ダブルヘテロ構、単一量子井戸構造または特に有利には多重量子井戸構造（ＭＱＷ）をビーム生成のために有している。量子井戸構造という語は量子化の次元に関する限定を含まない。したがって、量子化にはとりわけ、量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造の各組み合わせが含まれる。

半導体ボディとしては例えば発光ダイオードチップ（略して「ＬＥＤチップ」）または薄膜発光ダイオードチップ（略して「薄膜ＬＥＤチップ」）が使用される。しかしビームを生成する別の半導体ボディ（例えばレーザダイオード）も、デバイス内で使用されるのに適している。

薄膜発光ダイオードチップは、特に以下の特徴の少なくとも１つによって特徴付けされている：
・ビームを生成するエピタキシャル層列の、担体エレメントの方を向いた第１の主表面に反射層が被着または形成されており、この反射層は、エピタキシャル層列内で生成された電磁ビームの少なくとも一部分を反射して、このエピタキシャル層列に戻す；
・エピタキシャル層列は、２０μｍあるいはそれ以下の領域、殊に１０μｍの領域にある厚さを有している。

さらに、エピタキシャル層列には有利には、混合構造を有する少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層が含まれており、理想的なケースではこの面によりエピタキシ層列内にほぼエルゴード的な光分布が生じる。つまりこの光分布は最大限にエルゴード的な確率分散特性を有している。

薄膜発光ダイオードチップの原理については、例えばI. Schnitzer等によるAppl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176に記載されている。この刊行物の開示内容は、引用によって本願の開示内容とする。

薄膜発光ダイオードチップは良好な近似ではランベルト表面放射器であり、従って投光装置等の光学システムにおける使用に殊に適している。

第１の波長が可視スペクトル領域から発生している場合には、デバイスは有利には多色の混合ビームを放出する。この混合ビームは第１の波長のビームと、第２の波長のビームを含む。用語「多色の混合ビーム」とは本発明では、殊に、種々の色のビームを含んだ混合ビームをあらわしている。特に有利にはこの混合ビームの色位置は、CIE標準表色系の白色領域内に位置する。波長変換材料の選択および濃度によって、色位置が他の領域に調整されたデバイスを製造することができる。

特に有利には、青色スペクトル領域のビームを放射する半導体ボディが、この青色ビームを黄色ビームに変える波長変換材料とともに使用される。このようにして、ＣＩＥ標準表色系の白色領域内に色位置を有する混合ビームを送出するオプトエレクトロニクスデバイスが得られる。

しかし半導体ボディが例えばＵＶ領域からの不可視ビームのみを放出する場合、このビームはできるだけ完全に変換されるべきである。なぜならこのようなビームは、デバイスの輝度に関与しないからである。ＵＶビームのような短い波長のビームの場合には、このビームはむしろ人間の目に危害を与える恐れがある。このような理由から、このようなデバイスの場合には有利には次のような措置がとられる。すなわち、デバイスが短い波長のビームを送出することを阻止する措置がとられる。このような措置は例えば吸収粒子または反射性素子であってよい。これらは半導体ボディの放射方向において第１の波長変換材料の後方に設けられており、不所望な短い波長のビームを吸収するか、またはこれを反射して、波長変換材料に戻す。

以降においてもより詳細に説明するが、ここで次のことを示唆しておく。すなわち、デバイスは半導体ボディが不可視光しか放出しない場合にも多色混合ビームを放出することができるということを示唆しておく。このために、入射ビームを異なる波長に変える少なくとも２つの異なる波長変換材料が使用される。半導体ボディが不可視ビームのみを送出する場合、この実施形態は、不可視ビームを第２の波長のみに変換することに対して特に有利である。デバイスが複数の波長変換材料を含む場合には、デバイスが短い波長のビームを送出することを阻止する措置が、有利には、半導体ボディの放射方向において全ての波長変換材料の後に設けられる。

オプトエレクトロニクスデバイスの有利な実施形態では、半導体ボディには被覆が設けられている。ここでこの被覆は、デバイスが送出したビームに対して透過性である。
このよう場合に半導ボディは、デバイスケーシングの切り欠き内、例えばバスタブ状反射器内に配置される。択一的に半導体ボディを、プリント基板上に、またはプリント基板の冷却部材上に取り付けることも可能である。被覆は、半導体ボディを保護するのにも使用される。他方では被覆は有利には次のように配置される。すなわち、被覆が光学素子と半導体ボディの間の隙間を埋め、従って半導体ボディから光学素子へのビーム路上での屈折率の跳躍的な変化が低減され、有利には、境界面での反射に起因するビーム損失が低減されるように配置される。

有利にはこの被覆はマトリックス材料を有している。このマトリックス材料はシリコン材料、エポキシ材料、ハイブリッド材料または屈折率が整合された材料を含む。屈折率が整合された材料とは、次のような材料である。すなわち、その屈折率が、接する材料の屈折率の間にある材料のことである。すなわちこのコンテキストでは、半導体ボディの屈折率と、光学素子のマトリックス材料の屈折率との間に屈折率がある材料のことである。

オプトエレクトロニクスデバイスの別の有利な実施形態では、被覆は第１の波長変換材料とは異なる少なくとも１つの第２の波長変換材料を含む。この第２の波長変換材料は、有利には第１の波長を有するビームを、第１の波長とも、第２の波長とも異なる第３の波長を有するビームに変換する。これによって、デバイスは、第２の波長、第３の波長および場合によっては第１の波長の混合ビームを送出する。

第１の波長変換材料と第２の波長変換材料を相互に空間的に別個に配置することによって殊に、既に波長変換材料のうちの１つによって変換されたビームが、他の各波長変換材料によって吸収されてしまうことが低減される。このような危険は殊に、１つの波長変換材料がビームを、別の波長変換材料の励起波長の近傍にある波長に変換する場合に生じる。２つの波長変換材料の上述した配置および空間的な分離によって、大量生産時に、デバイスの効果並びに色印象の均一性およびこれらのパラメータの再現可能性が高められる。

さらに、オプトエレクトロニクスデバイスのこのような実施形態の場合には殊に、紫外領域からの不可視ビームのみを放射する半導体ボディが適している。このような場合には、有利には、半導体ボディによって放射されたビームの一部は、被覆内の第２の波長変換材料によって、第３の波長を有するビームに変換される。相応に、変化されずに被覆を通過する、半導体ボディから放射されたビームの別の部分および残りの部分は、光学素子内の第１の波長変換材料によって、第２の波長を有するビームに変化される。これによって、このデバイスは、第２の波長および第３の波長からのビームから成る多色混合ビームを送出する。

このような実施形態の場合にも、第２の波長変換材料は有利には粒子を含む。ここでこの粒子は被覆のマトリックス材料内に組み込まれている。

さらに、この半導体ボディおよび２つの波長変換材料は、このような実施形態の場合に有利には次のように相互に調整されている。すなわち、第１の波長のビームが青色スペクトル領域から発生し、第２の波長変換材料がこのような青色ビームの一部を赤色ビームに変換し、第１の波長変換材料が残りの青色ビームの別の部分を緑色のビームに変換し、これによって、デバイスが赤色、緑色および青色の成分を有する白色の混合ビームを送出するように調整されている。波長変換材料の量を調整することによって、この場合には白色混合ビームの色位置を特に良好に、所望の値に調整することができる。

別の有利な実施形態では、被覆と光学素子の間に結合層が配置されている。ここでこの結合層は、屈折率が整合された材料を含む。この材料の屈折率は被覆の屈折率と光学素子のマトリックス材料の屈折率との間にある。従って、境界面での反射によるビーム損失が有利には低減される。さらにこの結合層は、被覆と光学素子とを機械的に接続するためにも用いられる。

被覆内の第２の波長変換材料に対して付加的または択一的にさらに、半導体ボディ上に波長変換層を被着することができる。ここでこの波長変換層は、第１の波長変換材料および場合によっては第２の波長変換材料とは異なる、少なくとも１つの第３の波長変換材料を含む。このような第３の波長変換材料は有利には、第１の波長のビームを、第４の波長のビームに変換し、これによって、デバイスは第３の波長、第４の波長、場合によっては第２の波長および場合によっては第１の波長の混合ビームを送出する。

半導体ボディ上の波長変換層が、被覆内の第２の波長変換材料に対して択一的に使用される場合には、同じように、半導体ボディおよび２つの波長変換材料が次のように相互に調整される。すなわち、第１の波長のビームが青色スペクトル領域から発生し、第３の波長変換材料がこのビームの一部を赤色ビームに変換し、第１の波長変換材料が残りのビームの別の部分を緑色のビームに変換し、これによってデバイスが赤色、緑色および青色の成分を有する白色混合ビームを送出するように調整される。

上述したように、波長変換層は、必ずしも半導体ボディ上に配置されなければならないというわけではない。むしろ波長変換層が、被覆と光学素子の間に配置されてもよい。さらに、デバイスが１つの波長変換層を有するだけでなく、複数の波長変換層、有利にはそれぞれ異なる波長変換材料を有する複数の波長変換層を有することも可能である。

従って、被覆内の第２の波長変換材料に対して付加的に波長変換層が使用される場合には、全体として少なくとも３つの異なる波長変換材料が、デバイス内で使用される。これによって有利には、紫外スペクトル領域からの不可視ビームを送出する半導体ボディが使用される。このような場合には半導体ボディの不可視ビームの一部は有利には半導体ボディ上の波長変換層の第３の波長変換材料によって、赤色スペクトル領域のビームに変換される。また、半導体ボディから放出された不可視ビームの別の一部は波長変換層を、変換されずに通過し、変換されなかったこのビームの別の一部は、被覆内の第２の波長変換材料によって、緑のスペクトル領域のビームに変換される。不可視ビームの別の部分は同じように、変換されずに被覆を通過する。変換されずに被覆を通過した不可視ビームの最後の部分は有利には完全に、青色ビームに変換される。これによって、デバイスは赤色、緑色および青色のスペクトル領域からの混合ビームを送出する。これはＣＩＥ標準表色系の白色領域内に色位置を有している。混合ビームの所望の色位置に依存して、半導体ボディのビームにそれぞれ変換された別のスペクトル領域も可能である。

少なくとも３つの波長変換材料を、可視スペクトル領域からのビームを送出する半導体ボディとともに使用することは、例えば次の場合には有利である。すなわち、デバイスから送出された混合ビームの特定の色位置が得られるべき場合に有利である。

有利な実施形態では、波長変換層の厚さは一定である。なぜなら、このような場合にビームの光路長が波長変換層内で統一されるからである。これによって有利には、オプトエレクトロニクスデバイスの色印象が均一になる。

デバイスが第３の波長変換材料を有する波長変換層を含む場合、この波長変換層は同じように有利には、マトリックス材料を含み、第３の波長変換材料はこのマトリックス材料内に組み込まれている粒子を含む。

波長変換層のマトリックス材料は通常は透明な硬化可能なポリマーを有している。これは例えばエポキシ基、アクリラート、ポリエステル、ポリイミド、ポリウレタンまたはポリ塩化ビニルのような塩素を有するポリマーまたはこれらのものからなるものである。さらに上述した材料の混合物並びにシリコンおよび、通常はシリコン、エポキシ基並びにアクリラートからの混合形状を示すハイブリッド材料も、マトリックス材料として使用されるのに適している。一般的にポリマーは、ポリシロキサン連鎖を含むマトリックス材料として適している。

空間的に相互に別個にされて配置された複数の波長変換材料を使用する場合には、これは有利には次のように配置される。すなわち、各波長変換材料によって第１の波長のビームが変換される波長が、半導体ボディから見てその放射方向において、半導体チップの放射方向に関して先行する波長変換材料が第１の波長のビームを変換する波長よりそれぞれ短くなるように配置される。このようにして、半導体チップの放射方向において後続配置された波長変換材料によって既に変換されたビームの吸収が特に効果的に回避される。

第１、第２および第３の波長変換材料は例えば、以下の材料から構成されたグループから選択される：希土類金属でドーピングされたガーネット、希土類金属でドーピングされたアルカリ土類硫化物、希土類金属でドーピングされたチオガレート、希土類金属でドーピングされたアルミ酸塩、希土類金属でドーピングされたオルトケイ酸塩、希土類金属でドーピングされたクロロシリケート、希土類金属でドーピングされたアルカリ土類ケイ素窒化物、希土類金属でドーピングされた酸窒化物、希土類金属でドーピングされたアルミニウム酸窒化物を有するグループである。

特に有利には、第１、第２または第３の波長変換材料として、ＣｅドーピングされたＹＡＧ波長変換材料（ＹＡＧ：Ｃｅ）が使用される。

有利には光学素子はレンズ、殊に有利には凸レンズである。この光学素子によって、オプトエレクトロニスクデバイスの放射特性を所望のように構成することができる。このために球面レンズまたは非球面レンズ、例えば楕円レンズを使用することができる。さらに次のことが可能である。すなわち、別の光学素子をビーム形成のために使用することが可能である。これは例えば中実体であり、この中実体はピラミッド状または円錐台状または組み合わされた放物線状集光器または組み合わされた楕円状集光器または組み合わされた双曲的な集光器の様式に従って形成されている。

この光学素子は、波長変換材料の粒子のためのマトリックス材料として、以降の材料によって構成されたグループから選択された材料を含んでいる：この材料とは、ガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、環状オレフィン（ＣＯＣ）、シリコンおよびポリアクリルエステルイミド(ＰＭＭＩ)である。

特に有利には、各波長変換材料は実質的に均一に、光学素子のマトリックス材料および／または被覆のマトリックス材料および／または波長変換層のマトリックス材料内に分布している。波長変換材料の実質的に均一な分布によって有利には通常は、オプトエレクトロニクスデバイスの非常に均一な放射特性および非常に均一な色印象が得られる。表現「実質的に均一」はこのコンテキストでは次のことを意味している。すなわち、技術的な範囲で可能であり、かつ有効であるように波長変換材料の粒子が均等に各マトリックス材料内に分布していることを意味する。殊にこれは、粒子が団塊化していないことを意味している。

しかし、これは、例えば各マトリックス材料の硬化中の粒子の沈降が原因で、マトリックス材料内の粒子の配置が理想的な均等分布と僅かに異なってしまうことを排除するものではない。

有利な実施形態では光学素子のマトリックス材料、および／または被覆のマトリックス材料および／または波長変換層のマトリックス材料は粒子を散乱させる粒子を含んでいる。これは有利には放射特性を均一にする、またはデバイスの光学特性に所望のように影響を与える。

ここで次のことを指摘しておく。すなわち、半導体ボディは通常、唯一の第１の波長のビームを送出するのではなく、有利には共通の第１の波長領域に含まれている複数の異なる第１の波長のビームを送出する、ということを指摘しておく。第１、第２または第３の波長変換材料は、少なくとも唯一の第１の波長のビームを、少なくとも１つのさらなる、第２、第３または第４の波長のビームに変換する。通常は、この第１、第２または第３の波長変換材料は、有利には第１の波長領域に含まれている複数の第１の波長のビームを、同じように有利には別の共通の第２、第３または第４の波長領域に含まれている複数の別の、第２、第３または第４の波長のビームに変換する。

次に、５つの実施例に基づき、図１Ａおよび図１Ｂ並びに図２〜６を参照に本発明を詳しく説明する。

図面
図１Ａは、第１の実施例に即したオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な断面図であり、
図１Ｂは、図１Ａに示されたオプトエレクトロニクスデバイスのためのデバイスケーシングの概略的な断面図であり、
図２〜５は、４つの別の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な断面図であり、
図６は、別の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な展開図である。

実施例および図面において、同一の構成要素または同じ働きをもつ構成要素にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。図示されているエレメントは縮尺通りに示されたものではなく、むしろ一層分かり易くするために個々のエレメント、例えば層厚は誇張して大きく示されている場合もある。

図１Ａの実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスは、切り欠き２を有するデバイスケーシング１を含む。ここでこの切り欠き内で発光ダイオードチップ３がチップ取り付け領域４上に取り付けられている。ここでビームを放出する面をそれぞれ発光ダイオードチップおよびオプトエレクトロニクスデバイスの「前面」と称し、この前面に対向する面を「背面」と称する。

図１Ｂに示されているように、デバイスケーシング１は基体５およびリードフレーム６を有している。リードフレーム６は熱的接続部分６１および、側方で基体５から突出している２つの振動形状の電気的接続部分６２、６３を含む。熱的接続部分６１はさらに導電性でもあり、チップ取り付け領域４の底面を構成する。電気的接続部分６２はこの熱的接続部分６１と導電性に接続されており、他方の電気的接続部分６３は基体５のワイヤー接続領域７と導電性に接続されている。発光ダイオードチップ３は、チップ取り付け領域４への取り付け時に背面側で伝熱性接続部分６１と導電性に接続され、さらなる取り付けステップにおいて前面で、ボンディングワイヤーによって、ワイヤー接続領域７と電気的に接触接続される（図示されてない）。図１Ｂのデバイスケーシング１では、内部に発光ダイオードチップ３が取り付けられる切り欠き２はバスタブ状反射体として構成されており、これはビーム形成に用いられる。

適切なデバイスケーシング１は、文献ＷＯ０２/０８４７４９Ａ２号に記載されており、この文献を本願発明の参考文献とする。

半導体チップとはここではガリウム窒化物をベースとした発光ダイオードチップ３のことである。これは第１の波長（例えば青色のスペクトル領域）の電磁ビームを送出する。内部に発光ダイオードチップ３が取り付けられているデバイスケーシング１の切り欠き２は被覆８によって充填されている。これは例えばマトリックス材料８１としてのシリコン質量体を含む。被覆８は発光ダイオードチップ３の放射方向において、別個に製造されたレンズ９の後方に配置されている。ここでこのレンズはデバイスケーシング１の基体５上に取り付けられている。レンズ９はここでマトリックス材料９１としてポリカーボネートを含む。しかしレンズ９のマトリックス材料としてはシリコン、ＰＡＡＩまたはポリウレタン（ＰＵ）も適している。さらにレンズ９は内部に、第１の波長変換材料１０の粒子を含んでいる。ここでこの第１の波長変換材料は、発光ダイオードチップ３の第１の波長を有するビーム、例えば青色スペクトル領域からのビームを部分的に、第２の波長のビーム、例えば黄色スペクトル領域からのビームに変換する。従ってデバイスは全体としてその前面から白色ビームを送出する。第１の波長変換材料１０の粒子はここで実質的に均一であり、レンズ９のマトリックス材料内に団塊的に分布していることはない。第１の波長変換材料１０としては例えばＹＡＧ：Ｃｅが使用される。

ここで光学素子９内に第１の波長変換材料１０を、間隔をあけて配置することによって、有利には殊に、第１の波長変換材料１０の粒子で変換されたビームの、バスタブ状反射体として構成された切り欠き２への後方散乱も高められる。

図２の第２の実施例に相応するオプトエレクトロニクスデバイスでは、図１Ａおよび図１Ｂに示されたオプトエレクトロニクスデバイスと異なり、レンズ９と被覆８ないしデバイスケーシング１の基体５との間に結合層１１が配置されている。さらに第２の波長変換材料１２が、発光ダイオードチップ３の透明被覆８のマトリックス材料８１内に組み込まれている。ここでこの被覆は基体５の切り欠き２を満たしている。結合層１１はシリコンベースの材料を含み、１．４〜１．５の間の屈折率を有している。被覆８のマトリックス材料８１とレンズ９のマトリックス材料９１との間の屈折率の跳躍的変化を低減させるというタスクの他に、結合層１１はここでは、レンズ９を被覆８上ないしデバイスケーシング１の基体５上に機械的に固定するというタスクも有している。

図１における第１の波長変換材料１０とは異なり、図２の第１の波長変換材料１０は、発光ダイオードチップ３の青色ビームの一部を、例えば緑色のスペクトル領域にある第２の波長のビームに変換する。また第２の波長変換材料１２は青色スペクトル領域からの第１の波長を有する発光ダイオードチップ３のビームの一部を、第３の波長、例えば赤色スペクトル領域からのビームに変換する。図２に示されたデバイスは多色混合ビームを放射する。ここでこの多色混合ビームは第２の波長変換材料１２によって変換された赤色ビーム、第１の波長変換材料１０によって変換された緑色ビームおよび変換されていない、発光ダイオード３の青色ビームを含む。このような混合ビームの色位置はこの場合にはＣＩＥ標準表色系の白色領域にある。青色ビームの一部を緑色スペクトル領域からのビームに変換するのに適している第１の波長変換材料１０としては例えば緑色発光Ｅｕドーピングされた窒化物が使用される。また、青色ビームの一部を赤色スペクトル領域からのビームに変換するのに適している第２の波長変換材料１２としては例えば赤色発光Ｅｕドーピングされた窒化物を使用することができる。

図３の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスでも、２つの波長変換材料１０、１４が使用される。２つの上述した実施例と同じように、第１の波長変換材料１０は実質的に均一に分配されて、レンズ９のマトリックス材料９１内に存在する。第２の実施例と同じように、第１の波長変換材料１０は、発光ダイオードチップ３の第１の波長を有するビームを、部分的に例えば緑色のスペクトル領域からの第２の波長を有するビームに変換する。しかし図２に示された実施例とは異なって、発光ダイオードチップ３の被覆８のマトリックス材料８１内に波長変換材料は存在しない。その代わりに、発光ダイオードチップ３の前面上に波長変換層１３が被着されている。この波長変換層は、第３の波長変換材料１４が内部に組み込まれているマトリックス材料１３１を含む。この第３の波長変換材料１４は、発光ダイオードチップ３から放出された、青色スペクトル領域からの第１の波長のビームの別の一部を、例えば赤色スペクトル領域からの第４の波長のビームに変換する。

第３の波長変換材料１４を有する波長変換層１３の厚さはここで実質的に一定である。従って青色ビームの波長は波長変換層１３内で実質的に一定であり、第３の波長変換材料１４によって変換されたビームの成分は、波長変換層１３内の変換粒子の位置に依存しない。これによってデバイスの均一な色印象が得られる。図２に示されたデバイスのように、図３に示されたデバイスは青色、赤色および緑色のスペクトル領域を有する混合ビームを送出する。このビームの色位置はＣＩＥ標準表色系の白色領域内にある。

図４の実施例に相応するオプトエレクトロニクスデバイスでは、上述の実施例とは異なり、紫外スペクトル領域からの第１の波長のビームを送出する発光ダイオードチップ３が使用される。さらにこのデバイスでは、３つの波長変換材料１０、１２、１４が使用される。これらの波長変換材料それぞれによって、この紫外ビームの一部が可視光の別のスペクトル領域に変えられる。第１の波長変換材料１０は同じように実質的に均一にレンズ９のマトリックス材料９１内に分布しており、紫外ビームの一部を可視青色スペクトル領域からの第１の波長を有するビームに変換する。同じように実質的に均一に分布して、被覆８のマトリックス材料８１内に含まれている第２の波長変換材料１２は、発光ダイオードチップ３の紫外ビームの別の一部を、第３の波長、例えば可視の緑色スペクトル領域からのビームに変換する。発光ダイオードチップ３から放射された紫外ビームの残りの部分は、第３の波長変換材料１４によって、可視の赤色スペクトル領域からの第４の波長のビームに変換される。ここでこの第３の波長変換材料は、発光ダイオードチップ３上の波長変換層１４内に存在する。図２および３に示された実施形態のように、デバイスは、赤、緑および青色スペクトル成分を含んでいる白色混合ビームを放射する。しかし図２および３に示された実施例とは異なり、発光ダイオードチップ３のビームは理想的には完全に、波長変換材料１０、１２、１４によって可視光に変換される。

紫外ビームの一部を青色スペクトル領域からのビームに変えるのに適している第１の波長変換材料１０としては、例えばバリウム−マグネシウム−アルミ酸塩が使用される。また、紫外ビームの一部を緑色スペクトル領域からのビームに変換するのに適している第２の波長変換材料１２として、緑色発光Ｅｕドーピングされた窒化物が使用される。紫外スペクトル領域からのビームを赤色スペクトル領域からのビームに変換するのに適している第３の波長変換材料１４としては、例えば赤色発光Ｅｕドーピングされた窒化物が使用される。

図５の実施例では、デバイスは、レンズ９内に含まれている第１の波長変換材料１０の他に、２つの別の波長変換材料１２（以下で第２の波長変換材料と称する）を含む。ここでこの第２の波長変換材料は、発光ダイオードチップ３の被覆８とレンズ９との間の第１および第２の波長変換層１３内に配置されている。発光ダイオードチップ３はこの実施例では、青色スペクトル領域からの第１の波長のビームを送出するのに適している。発光ダイオードチップ３の被覆８上に配置されている第１の波長変換層１３の第２の波長変換材料１２は、青色スペクトル領域からの第１の波長の、発光ダイオードチップ３によって生成されたビームを、赤色スペクトル領域からの第４のビームに変換する。発光ダイオードチップ３から送出された青色ビームの一部は、変換されずに第１の波長変換層１３を通過し、第２の波長変換層１３上に入射する。ここでこの第２の波長変換層は、第１の波長変換層１３上に配置されている。第２の波長変換層１３は、別の第２の波長変換材料１２を含んでいる。ここでこの波長変換材料は、発光ダイオードチップ３から放射された、第１の波長を有するビームの別の部分を、黄色スペクトル領域からの別の第２の波長を有するビームに変換するのに適している。発光ダイオードチップ３から放射された青色ビームの別の一部は、第２の波長変換層１３も変換されずに通過し、光学素子９内の第１の波長変換材料１０によって、緑色スペクトル領域からの第２の波長のビームに変換される。発光ダイオードチップ３から送出された、第１の波長のビームはここでも変換されずに光学素子９を通過する。これによってデバイスは混合ビームを放射し、これは黄色、緑色、青色および赤色スペクトル領域からのビームを送出する。黄色スペクトル領域からのビームを混合することによって、混合色ビームの色位置をＣＩＥ標準表色系の白色領域内に調整することが可能である。

図６に示された実施例に相応するデバイスは、上述したデバイスとは異なり、デバイスケーシング１を有していない。このような実施形態では４つの発光ダイオードチップ３が、ヒートシンク１６上のアルミニウムフレーム１５内に取り付けられている。ここでこのヒートシンクは自身の側で、プリント基板１７（ここではメタルコアプレートである）上に存在する。ヒートシンク１６は、良好な熱伝導性を有する材料（例えば銅）から成り、発光ダイオードチップ３の動作時に生じる熱を発光ダイオードチップから導出する。発光ダイオードチップ３の放射方向において発光ダイオードチップ３を有するアルミニウムフレーム１５の後方には、別個に製造されたレンズ９が配置される。ここでこのレンズは、第１の波長変換材料１０を有している。図１Ａに示された実施例の場合のように、発光ダイオードチップ３は青色スペクトル領域からの第１の波長のビームを送出する。ここでこのビームは、第１の波長変換材料１０によって部分的に、黄色スペクトル領域からの第２の波長を有するビームに変換される。これによって、デバイスは黄色および青色のスペクトル成分を有する多色性混合ビームを送出する。

ここでアルミニウムフレーム１５を使用することは、本デバイスではオプショナルである。アルミニウムフレームは、被覆８によって充填されるのに適している（図示されていない）。ここでこの被覆は、発光ダイオードチップ３を保護し、並びに発光ダイオードチップ３とその周囲との間の屈折率の跳躍的変換を低減させる。さらに、被覆８内には、図２および図４に基づいて説明されたように、第２の波長変換材料１２が含まれていてもよい。

さらに、アルミニウムフレーム１５の内側エッジは、反射体として構成されてよい。この反射体はビーム形成に用いられる。

発光ダイオードチップ３を背面側で電気的に接触接続するために、ヒートシンク１６上に導電性のコンタクト領域１８が設けられている。ここでこのコンタクト領域は、ボンディングワイヤーによってそれぞれ対応する電気的接続領域１９とプリント基板１７上で、ヒートシンク１６の側方で導電性に接続されている。前面で、発光ダイオードチップ３は同じように、ボンディングワイヤーによって、対応する電気的接続領域１９と３導電性に接続される。

電気的接続領域１９は導体路２０によって、別の電気的接続領域２１と接続されている。ここでこの接続領域は、外部接続部分２３のピンに対する電気的接続を形成する。電気的接続部分２３は、コネクタによって外部に対して接触接続されるのに適している。

オプトエレクトロニクスデバイスを取り付けるために、プリント基板１７上にさらに嵌合ピン用の穿孔２４が設けられる。さらにプリント基板１７は、静電的な放電からデバイスを保護するために（ＥＳＤ保護）バリスタ２５を含む。

別個のレンズ９はここでさらに、集積されたピン９２を含む。このピンはレンズ９をアルミニウムフレーム１５上に載置する際に、プリント基板１７の対応する穿孔２６内にかみ合い、そこでロックする。このようにしてレンズ９が固定される。

本願は、独国出願第１０２００６０２０５２９．４号および同第１０２００５０４１０６３．４号に関連し、それらの優先権を主張する。この文献を本願発明の参考文献とする。

本発明は、実施態様例に基づく発明の詳細な説明によって制限されるものではなく、むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことはこのような特徴又はこのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施態様例に明示的には記載されていない場合であっても当てはまる。

殊に本発明は、特定の波長変換材料、波長、ビーム生成半導体ボディまたは光学素子に限定されない。

第１の実施例に即したオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な断面図、 図１Ａに示されたオプトエレクトロニクスデバイスのためのデバイスケーシングの概略的な断面図、 ４つの別の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な断面図 ４つの別の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な断面図 ４つの別の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な断面図 ４つの別の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な断面図 別の実施例に示されたオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な展開図

Claims (25)

1. オプトエレクトロニクスデバイスであって：
   半導体ボディ（３）と、別個にされた光学素子（９）とを有しており、
   ・前記半導体ボディはオプトエレクトロニクスデバイスの動作時に第１の波長の電磁ビームを放射し、
   ・前記光学素子は、放射方向において間隔をあけて前記半導体ボディ（３）の後方に配置されており、
   前記光学素子（９）は少なくとも１つの第１の波長変換材料（１０）を含み、当該波長変換材料は前記第１の波長のビームを、当該第１の波長とは異なる第２の波長のビームに変換する、
   ことを特徴とする、オプトエレクトロニクスデバイス。
2. ・前記第１の波長変換材料（１０）は粒子を含んでおり、
   ・前記光学素子（９）はマトリックス材料（９１）を有しており、当該マトリックス材料内に前記第１の波長変換材料（１０）の粒子が組み込まれている、請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
3. 前記第１の波長は、紫外、青色および／または緑色のスペクトル領域から発生する、請求項１または２記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
4. 前記デバイスは多色混合ビームを送出し、前記混合ビームは前記第１の波長のビームおよび前記第２の波長のビームを含む、請求項１から３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
5. 前記混合ビームはＣＩＥ標準表色系の白色領域内に色位置を有している、請求項４記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
6. 前記第１の波長は青色スペクトル領域から発生し、前記第２の波長は黄色スペクトル領域から発生する、請求項１から５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
7. 前記半導体ボディ（３）には、前記デバイスのビームに対して透過性の被覆（８）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
8. 前記被覆（８）はマトリックス材料（８１）を含んでおり、当該マトリックス材料はシリコン材料および／または屈折率が整合された材料を含んでいる、請求項７記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
9. 前記被覆（８）は、少なくとも１つの、前記第１の波長変換材料とは異なる第２の波長変換材料（１２）を含む、請求項７または８記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
10. 前記第２の波長変換材料（１２）は、前記第１の波長のビームを、前記第１の波長および前記第２の波長とは異なる第３の波長のビームに変換し、これによってデバイスは混合ビームを送出し、当該混合ビームは前記第２の波長、前記第３の波長および場合によっては前記第１の波長のビームを含む、請求項９記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
11. 前記第２の波長変換材料（１２）は粒子を含んでおり、当該粒子は前記被覆（８）のマトリックス材料（８１）内に組み込まれている、請求項９または１０記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
12. 前記被覆（８）と前記別個にされた光学素子（９）との間に、屈折率が整合された材料を含む結合層（１１）が配置されている、請求項７から１１までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
13. 前記半導体ボディ（３）上に波長変換層（１３）が被着されており、当該波長変換層は、前記第１の波長変換材料および場合によっては前記第２の波長変換材料（１０、１２）とは異なる第３の波長変換材料（１４）を含む、請求項１から１２までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
14. 前記第３の波長変換材料（１４）は、前記第１の波長のビームを、前記第１の波長、前記第２の波長および場合によっては前記第３の波長とは異なる第４の波長のビームに変換し、これによってデバイスは混合ビームを送出し、当該混合ビームは前記第３の波長、前記第４の波長、場合によっては前記第２の波長および場合によっては前記第１の波長のビームを含む、請求項１３記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
15. 前記波長変換層（１３）の厚さは一定である、請求項１３または１４記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
16. ・前記第３の波長変換材料（１４）は粒子を含んでおり、
    前記波長変換層（１３）はマトリックス材料（１３１）を有しており、当該マトリックス材料内には前記第３の波長変換材料（１４）の粒子が組み込まれている、請求項１３から１５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
17. 前記第１の波長変換材料（１０）、前記第２の波長変換材料（１２）および場合によっては前記第３の波長変換材料（１４）は次のように配置されており、すなわち、前記第１のビームが各波長変換材料（１０、１２、１４）によって変換される波長が、半導体ボディ（３）からみて、半導体チップの放射方向に関して先行する波長変換材料（１０、１２、１４）が前記第１のビームを変換する波長よりも短いように配置されている、請求項９から１６までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
18. 前記第２の波長は緑色スペクトル領域から発生し、前記第３または前記第４の波長は赤色スペクトル領域から発生する、請求項９から１７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
19. 前記第１の波長変換材料（１０）および／または前記第２の波長変換材料（１２）および／または前記第３の波長変換材料（１４）は以下の材料から成るグループに由来し：当該材料は、希土類金属でドーピングされたガーネット、希土類金属でドーピングされたアルカリ土類硫化物、希土類金属でドーピングされたチオガレート、希土類金属でドーピングされたアルミ酸塩、希土類金属でドーピングされたオルトケイ酸塩、希土類金属でドーピングされたクロロシリケート、希土類金属でドーピングされたアルカリ土類ケイ素窒化物、希土類金属でドーピングされた酸窒化物、希土類金属でドーピングされたアルミニウム酸窒化物である、請求項１から１８までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
20. 前記第１の波長変換材料（１０）または前記第２の波長変換材料（１２）または前記第３の波長変換材料（１４）として、ＹＡＧ：Ｃｅが使用される、請求項１９記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
21. 前記別個にされた光学素子（９）としてレンズが使用される、請求項１から２０までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
22. 前記別個にされた光学素子（９）として凸レンズが使用される、請求項２１記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
23. 前記光学素子のマトリックス材料（９１）は以下のグループに由来し、当該グループは以下の材料によって構成されており：当該材料は、ガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、環状オレフィン（ＣＯＣ）、シリコンまたはポリアクリルエステルイミド（ＰＭＭＩ）である、請求項２から２２までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
24. 前記第１の波長変換材料（１０）の粒子は実質的に均一に、前記光学素子（９）のマトリックス材料（９１）内に分布している、請求項２から２３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
25. 前記第２の波長変換材料（12）の粒子は実質的に均一に、前記被覆（８）のマトリックス材料（８１）内に分布している、請求項１１から２４までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。

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