JP6257764B2 - 発光半導体コンポーネント及びその製造方法並びに当該発光半導体コンポーネントを備えた波長変換素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、波長変換素子、波長変換素子を備えた発光半導体コンポーネント、波長変換素子を製造する方法および波長変換素子を備えた発光半導体コンポーネントに関する。
ここに記載されているのは、波長変換素子および波長変換素子を製造する方法である。さらに波長変換素子を備えた発光半導体コンポーネント、および、波長変換素子を備えた発光半導体コンポーネントを製造する方法が記載されている。
いくつかの実施形態には発光半導体コンポーネント用の波長変換素子が記載されている。別の複数の実施形態には、波長変換素子を製造する方法が記載されている。別の複数の実施形態には、波長変換素子を備えた発光半導体コンポーネントと、このような発光半導体コンポーネントを製造する方法とが記載されている。
少なくとも１つの実施形態によれば、波長変換素子は、複数の開口部を備えたグリッドを有する。このグリッドは、特にセラミックグリッド材料によって形成することができる。このグリッドは、主延在面を有する。このことが意味するのは、グリッドの厚さに対応する、この主延在面に垂直な方向よりも、主延在面に沿った方向により大きなサイズをグリッドが有することである。このグリッドに設けられた開口部は、グリッドの主延在面においてグリッド材料によって取り囲まれており、かつ、この主延在面に垂直な方向にグリッドを通って延在している。さらにこの波長変換素子は、これらの開口部内に変換セグメントを有しており、これらの開口部には有利には変換セグメントを充填することができる。このことが意味し得るのは、特に、変換セグメントが、少なくとも、グリッドの主延在面に平行な面において開口部を完全に充填するため、グリッド材料と変換セグメントとの間に空隙がないことである。さらに変換セグメントは、グリッドの厚さに対応する厚さを有することもできるため、開口部を変換セグメントによって完全に充填することができる。これとは択一的に、グリッドが、変換セグメントの厚さよりも大きな厚さを有することも可能であるため、変換セグメントは、グリッドの主延在面に垂直な方向に開口部を完全に充填しないこともある。上記のグリッドは、複数の変換セグメントを分離する分離材料を有するセパレータまたは分離グリッドと称することも可能である。
変換セグメントは有利には、各変換セグメントが１つの主延在面を有するように層状に設計することができる。この主延在面に垂直な方向に各変換セグメントは厚さを有する。変換セグメントの主延在面およびグリッドの主延在面は有利には互いに平行である。
少なくとも１つの別の実施形態によれば、波長変換素子を製造する方法は、ステップＡを有しており、このステップでは、未焼結のセラミックグリッド材料からなる１つの層が作製される。
ここおよび以下で、セラミック材料からなる層とは、大部分についてセラミック材料が含まれている層のことを意味すると理解すべきである。この場合に「大部分について」とは、セラミック材料が、このセラミック材料から構成される層の重量の５０％よりも多く、特に７５％よりも多く、有利には９０％よりも多くの重量比を占めることを意味する。さらにセラミック材料から構成される層は、実質的にセラミック材料を含むかまたはセラミック材料製とすることも可能である。ここでセラミック材料とは特に、酸化物を含有する材料または窒化物を含有する材料のことを意味すると理解すべきであり、ここおよび以下では、短距離規則度だけを有しかつ長距離規則度を有しない材料も「セラミック材料」という用語に含まれるものとする。したがって無機ガラスも「セラミック材料」という語に含まれるのである。
未焼結のセラミックグリッド材料から構成される層を作製するため、例えば、セラミックグリッド材料を含むスラリまたはペーストを作製することが可能である。適切な注型法を用いれば、スラリまたはペーストからグリーンシートまたはグリーン層の形態の、例えばプレートまたはテープの形態のグリーン体を形成することができる。この場合には、グリーン体の所望の厚さ、ひいてはグリッドの所望の厚さを得るため、上のようにして作製した複数のグリーンシートまたは層を、別のグリーンシートまたは層の上に積層することも可能である。したがって特にグリッドを形成するため、未焼結のセラミックグリッド材料から構成される複数のグリーン層を、別のグリーン層の上に載置することも可能であり、これによってステップＡにおいて作製される未焼結のセラミックグリッド材料から構成される層も、このような複数の層から形成することができる。このグリッドは、これに対応して、グリッド材料からなる１つまたは複数の層を含むことができ、これらの層は、波長変換素子が完成した段階で共に焼結される。したがってここで説明しまた以下で説明する複数の実施形態は、未焼結のセラミックグリッド材料から構成されるただ１つの層が作製される方法と、未焼結のセラミック材料から構成される複数の層が互いに載置されて積層される方法との両方に関係する。
別の実施形態によれば、波長変換素子を製造する方法では、ステップＢにおいて、未焼結のセラミックグリッド材料から構成される層内に複数の開口部が作製され、これによってグリッド材料によってグリッドが、有利にはまだ未焼結状態のグリッドが形成される。この未焼結のグリッドでは、複数の開口部は、グリッドの主延在面においてセラミックグリッド材料によって取り囲まれ、かつ、グリッドの主延在面に垂直な方向にグリッドを通って延在している。これらの開口部は、例えば打ち抜きにより、セラミックグリッド材料から構成される層内に入れることができる。
別の実施形態によれば、波長変換素子を作製する上記の方法では、ステップＣにおいて複数の開口部に変換セグメントが充填される。
上で説明したまた以下で説明する実施形態および特徴は、波長変換素子と、波長変換素子を製造する方法とに同様に当てはまる。
グリッドは、このグリッドの開口部内の変換セグメントと共に、連続した大面積波長変換素子を形成することができ、この大面積波長変換素子では、変換セグメントが複数の領域を形成し、これらの領域は、グリッドによって互いに分離されており、かつ、波長変換素子に放射される光を、この入射光とは異なる光に変換することができる。これらの変換セグメントは、入射光を同じまたは異なる光に変換することができる。特に、このために有利であり得るのは、変換セグメントの光学的分離がグリッドによって行われて、所定の変換セグメントに入射する光が、グリッドを通って隣接する変換セグメントに貫通できないようにする場合である。したがって特に好適には、グリッドは、紫外光および／または可視光に対して非透過とすることが可能である。さらに、グリッドが紫外光および／または可視光に対して反射性を有すると特に有利になり得る。
別の実施形態によれば、グリッド材料は非変換セラミック材料を有しており、有利には非変換セラミック材料から構成される。特にグリッド材料は、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウム酸化物）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から選択した１つまたは複数のドーピングされていないセラミック材料を含むかまたはこれらの材料から構成することができる。
グリッド材料それ自体は、非透光性としてよい。これとは択一的に、グリッド材料それ自体を少なくとも部分的に透光性とすることも可能である。この場合にグリッド材料は有利には、例えば、複数の粒子または孔の形態の混合物を含み、これらの粒子または孔は、グリッドを非透過性にし、有利には紫外光および／または可視光を反射するようにする作用を有する。
別の実施形態によれば、グリッド材料には放射反射粒子が含まれており、この放射反射粒子は、グリッド材料内に配置されており、かつ、グリッド材料とは異なる屈折率、例えばグリッド材料よりも大きな屈折率を有する。例えば、これらの粒子は、１．８以上の光学的屈折率を有し得る。粒子の代わりにまたは粒子に加え、グリッド材料は、孔、例えば空気が充填された孔を有することも可能である。孔は、例えば、未焼結のグリッド材料内の添加物、例えば有機添加物によって、および／または、グリッド材料の焼結中の適切な焼結条件によって作製可能である。
少なくとも１つの実施形態によれば、放射反射粒子は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２のうちの少なくとも１つによって形成されるか、またはこれらの材料のうちの少なくとも１つを含む。付加的または択一的には、ＺｎＯ，ＢａＳＯ４，ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５，ＨｆＯ２，Ｇｄ２Ｏ３，Ｎｂ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３のうちの１つまたは複数も考えられる。グリッド材料における放射反射粒子の濃度は有利には１０重量％以上または２０重量％以上とすることができる。この場合に放射反射粒子は有利には、グリッド材料内で均一に分布させることが可能である。
グリッド材料および放射反射粒子および／または孔は、その反射特性のためにグリッドが観察者に白く見えるように選択することができる。白く見えるのは有利なことにも、周囲光のすべての衝突する色スペクトルがグリッドによって反射されるからである。これとは択一的にグリッドが観察者に異なる色で見えて、１つまたは複数の色が反射されるようにすることも可能である。さらにグリッド材料が、例えば、非反射性の、特に吸収性の粒子または材料、例えばカーボンブラックを含有するようにすることも可能である。
別の実施形態によれば、各変換セグメントには、波長変換物質が含まれている。各変換セグメントは、１次放射を吸収して、この１次放射とは異なる２次放射を再放射することによって光を放射するように構成されている。このため、各変換素子の波長変換物質は、１次放射を吸収して２次放射を再放射するのに適した１つまたは複数の波長変換物質を含有するかまたはこのような波長変換物質から構成することができる。
例として、１つ、複数またはすべての変換セグメントはそれぞれ、１次放射の完全な変換を生じさせることができる。このことが意味するのは、１次放射が入射することにより、変換素子によって放射される光が実質的に、２次放射によって形成されるのに対し、変換セグメントを貫通する１次放射がないまたは実質的にないことである。例えば、変換セグメントによって放射される光は、５％以下、有利には２％以下の１次放射の割合をなお有し得る。言い換えると、１次放射が入射すると、完全変換の変換セグメントは、対応する変換された２次放射と、５％以下、特に有利には２％以下の１次放射の割合とによって形成される光を放射するのである。特に有利には完全変換の場合、変換セグメントによって放射されるそれぞれの光の１次放射は、もはや観察者によって知覚できないのである。このために変換セグメントは、対応する波長変換物質の十分に高い密度、および／または、指定された完全変換が行われる限界厚さ以上の十分な厚さを有し得る。特に波長変換素子の変換セグメントは、同じ厚さを有することができるため、この波長変換素子は、すべての変換セグメントにわたって均一の厚さを有することができる。
変換セグメントの波長変換物質は、例えば、波長変換のための以下の少なくとも１つの材料を含有するか、または以下の１つまたは複数から形成することができる。すなわち、ガーネット、特に希土類がドーピングされたガーネット、硫化物、特に希土類がドーピングされたアルカリ土類金属硫化物、希土類がドーピングされたチオガリウム酸、希土類がドーピングされたアルミン酸塩、希土類がドーピングされたケイ酸塩、例えばオルトシリケート、希土類がドーピングされたクロロシリケート、希土類がドーピングされたニトリドシリケート、希土類がドーピングされた窒酸化物および希土類がドーピングされた窒酸化アルミニウム、希土類がドーピングされた窒化ケイ素および希土類がドーピングされたオキソニトリドアルモシリケート、希土類がドーピングされた窒化物アルモシリケートおよび窒化アルミニウムから形成することができる。
有利な実施形態では波長変換物質として複数のセラミック材料、例えば複数のガーネットを使用することができ、例えば、イットリウムアルミニウム酸化物（ＹＡＧ）、ルテチウムアルミニウム酸化物（ＬｕＡＧ）、ルテチウムイットリウムアルミニウム酸化物（ＬｕＹＡＧ）およびテルビウムアルミニウム酸化物（ＴＡＧ）のようなガーネットを使用することができる。
別の有利な実施形態では、波長変換物質用のセラミック材料は、例えば、セリウム、ユーロピウム、ネオジム、テルビウム、エルビウム、プラセオジム、サマリウム、マンガンのような活性化剤の１つによってドーピングされる。考えられ得る、ドーピングされたセラミック波長変換物質に対する単なる例示としては、ＹＡＧ：Ｃｅ，ＬｕＡＧ：ＣｅおよびＬｕＹＡＧ：Ｃｅについても言及すべきである。ドーピングされたセラミック材料は有利には、０．１％以上４％以下のＣｅの含有量を有し得る。
さらに１つ、複数またはすべての変換セグメントの波長変換物質は、別の有利な実施形態において、以下の材料のうちの１つまたは複数を含み得る。すなわち、
− (ＡＥ)ＳｉＯＮ，(ＡＥ)ＳｉＡｌＯＮ，(ＡＥ)ＡｌＳｉＮ３，(ＡＥ)２Ｓｉ５Ｎ８、ただしＡＥは、アルカリ土類金属、
− 硫化物、
− オルソシリケート
を含み得る。
− (ＡＥ)ＳｉＯＮ，(ＡＥ)ＳｉＡｌＯＮ，(ＡＥ)ＡｌＳｉＮ３，(ＡＥ)２Ｓｉ５Ｎ８、ただしＡＥは、アルカリ土類金属、
− 硫化物、
− オルソシリケート
を含み得る。
上記の複数の変換セグメントは、完成された波長変換素子において、波長変換物質を、焼結された波長変換物質として含むことができるかまたはこれから構成することができる。さらにこれらの変換セグメントが、例えばマトリクス材料内の粉末の形態で波長変換物質を含むことも可能である。 特に有利にマトリクス材料としてシリコーンを使用することができる。
別の実施形態によれば、１つ、複数またはすべての変換セグメントは、波長変換物質に加えてさらに、特に無機の、有利には波長変換特性を有しない粒子さえも含むことができる。適切な別の粒子の例には、元素アルミニウム、ホウ素、チタン、ジルコニウムの窒化物および酸化物ならびにシリコーンまたは前述の材料の２つ以上の混合物が含まれる。
さらに変換セグメントは別の要素および成分を低濃度で含んでいてもよい。
別の実施形態によれば、波長変換素子は、第１変換材料が充填された第１開口部と、第２変換材料が充填された第２開口部とを含むことができる。第１変換材料は、第１波長を有する放射を放出するために設けることができる。第２変換材料は、第２波長を有する放射を放出するために設けることができる。第１および第２波長は互いに異なり得る。例えば第１波長は青色光に対応し、第２波長は赤色光に対応し得る。波長変換素子はさらに、第３変換材料が充填された第３開口部を有することができ、ここでこの第３変換材料は、第３波長を有する放射を放出するために設けることができる。この第３波長は、緑色光に対応し得る。第１および第２変換材料は、互いに隣接する第１および第２開口部内に配置することができる。第３開口部は、第１および第２開口部に隣接して配置することができる。さらに波長変換素子は、別の変換材料が充填された別の開口部を有し得る。特別な一実施形態によれば、波長変換素子は、赤色光、緑色光および青色光を放出するように設けられた異なる３つの材料を含有することができる。別の特別な実施形態によれば、波長変換素子は、赤色光、緑色光、青色光および白色光を放射するために設けられた異なる４つの材料を含有することができる。
別の実施形態によれば、上記のステップＣにおいて、セラミック波長変換物質を含有するスラリまたはペースト状の未焼結の変換セグメントは、未焼結のセラミックグリッド材料の開口部内に挿入される。
別の実施形態によれば、ステップＣにおいて、未焼結のセラミック小板状の未焼結の変換セグメントが、未焼結のセラミックグリッド材料の開口部内に挿入される。このため、未焼結のセラミック小板を未焼結のセラミックシートから打ち抜き、引き続いて開口部内に挿入することができる。未焼結のセラミック小板が、未焼結のセラミックシートから開口部に直接、打ち抜かれると特に有利である。
別の実施形態によれば、ステップＣの後、未焼結の変換セグメントは、未焼結のグリッド材料と共に焼結されて、連続した波長変換素子が形成される。
例えばシリコーンのようなマトリクス材料内の波長変換物質が、未焼結のセラミック材料の代わりに変換セグメントに使用される場合、未焼結のグリッド材料は有利にはステップＣの前に焼結される。この場合、ステップＣにおいてマトリクス材料を含有する波長変換物質が、開口部に挿入される。引き続いてこのマトリクス材料を硬化させる。
別の実施形態によれば、発光半導体コンポーネントは、発光半導体チップ上に上記の波長変換素子を有する。この発光半導体チップは、放射方向に沿い、光結合出力面を介して、１次放射、例えば青色光および／または紫外光を放射することができる。波長変換素子は、複数の変換セグメントが横方向に互いに並んで光結合出力面上に配置されるように発光半導体チップの光結合出力面上に載置され、例えば接着接合される。ここで「横方向」とは、放射方向に垂直な方向のことである。
別の実施形態によれば、発光半導体チップは、その動作中に光を放出することができる活性領域を有する。発光半導体チップは、放射すべき所望の波長に依存して、異なる半導体材料系をベースにした半導体層の列として製造することができる。波長の短い可視の、すなわち特に青色の１次放射に対し、および／または、紫外光の１次放射に対し、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮベースの半導体層列が特に好適であり、ただし０＜ｘ＜１かつ０＜ｙ＜１である。
特に発光半導体チップは、特に有利にはエピタキシャル成長させた半導体層列である半導体層列を含むかまたは半導体層列から構成することができる。このために半導体層列は、エピタキシ法、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ metal organic vapor phase epitaxy）または分子線エピタキシ法（ＭＢＥ molecular beam epitaxy）によって成長基板上に成長させることができ、また電気コンタクトを設けることができる。複数の発光半導体チップは、成長させた半導体層列を有する成長基板を分離することによって得ることができる。
さらに分離の前に、半導体層列を支持基板に移して成長基板を薄くするかまたは完全に除去することができる。基板として成長基板の代わりに支持基板を含むこのような半導体チップは、いわゆる薄膜半導体チップと称することも可能である。
薄膜半導体チップは特に、以下の固有の特徴によって識別される。すなわち、
− 反射層は、放射形成エピタキシャル層列の（支持基板側を向いた）第１主面に載置または形成され、この反射層は、エピタキシャル層列で形成された電磁放射の少なくとも一部をこれに反射して戻し、
− エピタキシャル層列は、２０μｍ以下の範囲の、特に４μｍと１０μｍと間の範囲の厚さを有し、
− エピタキシャル層列には、混合構造を備えた少なくとも１つの領域を有する少なくとも１つの半導体層列が含まれており、ここでは理想的にもこの混合構造によってエピタキシャル層列内で光の近似的なエルゴード分布が発生し、すなわち、これは可能な限りにエルゴード的確率的な散乱挙動を有するのである。
− 反射層は、放射形成エピタキシャル層列の（支持基板側を向いた）第１主面に載置または形成され、この反射層は、エピタキシャル層列で形成された電磁放射の少なくとも一部をこれに反射して戻し、
− エピタキシャル層列は、２０μｍ以下の範囲の、特に４μｍと１０μｍと間の範囲の厚さを有し、
− エピタキシャル層列には、混合構造を備えた少なくとも１つの領域を有する少なくとも１つの半導体層列が含まれており、ここでは理想的にもこの混合構造によってエピタキシャル層列内で光の近似的なエルゴード分布が発生し、すなわち、これは可能な限りにエルゴード的確率的な散乱挙動を有するのである。
薄膜半導体チップは、ランバート面発光器に良好な近似している。薄膜発光ダイオードチップの基本原理は、例えば、I. Schnitzer等によるAppl. Phys. Lett. 63 (16)、１９９３年１０月１８日、第2174〜２１７６頁に記載されている。
別の実施形態によれば、発光半導体チップは、互いに独立して駆動可能な複数の発光セグメントを有する。発光半導体コンポーネントの動作中にそれぞれ、光結合出力面の放射領域を介して１次放射を放出するこの発光セグメントは、例えば、半導体チップの少なくとも１つの電気コンタクト領域をセグメント化または構造化することによって作製することができる。さらに半導体チップの個別または複数の半導体層、例えば活性層も構造化することができる。セグメント化された発光半導体チップは、例えば国際公開第２０１０／０７２１９１号および国際公開第２０１１／０３９０５２号から公知であり、この点についてのこれらの開示内容は参照によってここに取り込まれるものとする。
別の実施形態によれば、波長変換素子の各変換セグメントは、放射方向にみて発光半導体チップの発光セグメントの下流に配置される。特に、各発光セグメントが、その光結合出力面の放射領域を介してそれぞれ下流に配置された変換セグメントに光を放射するように、波長変換素子の変換セグメントを半導体チップの各発光セグメントの下流に配置することできる。発光半導体チップをセグメント化して、個々の変換セグメントがそれぞれ発光セグメントの下流に配置されるように波長変化層を配置することにより、発光半導体コンポーネントは、目標を設定して個々の発光セグメントを駆動することにより、調整可能な色を有する光を放射することができる。
波長変換素子が、未焼結の変換セグメントと未焼結のセラミックグリッド材料と共に焼結することによって作製される場合、発光半導体コンポーネントを作製する方法において好適には、波長変換素子が、上で説明した方法にしたがって完成され、引き続いて発光半導体チップの光結合出力面上に配置される。
波長変換素子を製造するため、例えば、波長変換物質を含有するシリコーンのようなマトリクス材料が変換セグメントに使用される場合、有利には発光半導体コンポーネントを製造する方法において、ステップＣの前に、発光半導体チップの光結合出力面上に、焼結したグリッドを配置することができる。すなわち、開口部に変換セグメントを充填することができるのである。その後、ステップＣを、すなわち、マトリクス材料および波長変換物質による、グリッドの開口部の充填を行うことができる。
ここで説明している波長変換素子の場合、複数の変換セグメント間の光クロストークは、これらの変換セグメント間に配置されるグリッドによって阻止することができる。このことは特に、各変換セグメントが、発光半導体チップの発光セグメントに割り当てられる場合に有利になり得る。ここで説明している方法に基づけば、大面積の波長変換素子、すなわち、例えば発光半導体チップのサイズの波長変換素子を、個々の変換セグメントを個々に処理して配置しなくても処理することができ、有利である。この結果、個々の変換セグメントの位置合わせを一度だけ、すなわち、波長変換素子の位置調整中に行えばよいことも可能であり、また各変換セグメントを互いに独立して位置合わせする必要はないのである。結果的に変換セグメントは、グリッドの主延在面において、５００μｍよりも小さいサイズを有し得る。このような小さな変換セグメントは、これが個別の素子として設けられる場合、位置決めをすることは困難である。ここで説明している波長変換素子により、このような小さな変換セグメントの場合の位置決め過程中の困難を回避することができる。
別の利点、有利な実施形態および発展形態は、図面に関連して以下で説明する複数の実施形態から明らかになろう。
上記の複数の実施形態および図において、同じ、同じタイプまたは同じ動作をする要素にはそれぞれ同じ参照符号を有し得る。図示した複数の要素およびそれらの大きさの互いの関係は、実際のスケールであるとみなすべきではなく、むしろ個々の要素、例えば層、コンポーネント部分、コンポーネントおよび領域は、図示し易くするため、および／または、よりわかり易くするため、誇張した大きさで示されていることがある。
図１Ａ〜１Ｄには、一実施形態にしたがって波長変換素子１０を製造する複数のステップが示されている。
第１のステップでは、図１Ａに示したように、未焼結のセラミックグリッド材料１からなる層５が作製される。このためにグリッド材料を含有するスラリまたはペーストが作製され、層５状のテープまたはグリーンシートを成形するために注型される。層５は、両向き矢印９によって示された主延在面を有する。グリッド材料１には、ドーピングされていないセラミック材料が含まれており、この材料は有利には非変換性であり、かつ、例えばＹＡＧ，Ａｌ２Ｏ3，Ｙ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＡｌＮのうちの１つまたは複数の材料からなる。
図１Ｂによる別のステップにおいて、図１Ａに示した未焼結のセラミックグリッド材料１からなる層５は、グリッド２の形状に成形される。このため、複数の開口部３が、グリッド材料１からなる層５内に作製される。開口部３は、例えば打ち抜きによって作製することができる。複数の開口部３は、主延在面９に沿って互いに横に並んでグリッド材料１内に入れられ、これによってこれらの開口部３は、グリッド２の主延在面９においてセラミックグリッド材料１によって取り囲まれ、かつ、グリッド２の主延在面９に垂直な方向にグリッドを通して突き出ることになる。
図１Ｂに示したグリッド２を通る断面図に加えて、図１Ｃにはグリッド２の平面図が示されている。図１Ｃに示したように開口部３はマトリクス状に配置することができる。これとは択一的に、形状および配置については開口部３の別の幾何学形状も可能である。
図１Ｄに示した別のステップでは、複数の開口部３に変換セグメント４が充填される。このため、例えば、セラミック波長変換物質を含有するペーストまたはスラリ状の未焼結の変換セグメント４をこれらの開口部に挿入することができる。これとは択一的に未焼結のセラミック小板の形態で、未焼結の変換セグメント４を開口部に挿入することも可能である。未焼結のセラミック小板は、例えば、未焼結のセラミックシートから打ち抜くことができ、この際にはシートから開口部に未焼結セラミック小板を直接打ち抜くこともできる。開口部３に未焼結のセラミック変換セグメント４を充填した後、このセラミック変換セグメントは、未焼結のグリッド材料１と共に焼結され、この結果、波長変換素子１０が完成する。
変換セグメント４のセラミック波長変換物質は、例えば、ドーピングされたセラミック材料を含むかまたはドーピングされたセラミック材料から構成することが可能であり、このドーピングされたセラミック材料は、例えばＹＡＧ：Ｃｅ，ＬｕＡｇ：ＣｅまたはＬｕＹＡＧ：Ｃｅであり、Ｃｅの含有量は有利には０．１％以上４％以下である。 このようなセラミック材料が、変換セグメント４用の変換材料として使用される場合、後続の焼結プロセスについていえば特に、例えばドーピングされていないＹＡＧのような材料が、グリッド材料１として有利である。これとは択一的に、上の一般的な記述部分で挙げた材料の別の組み合わせも可能である。一例として、変換セグメント４は、以下の材料のうちの１つまたは複数も含むことができる。すなわち、(ＡＥ)ＳｉＯＮ，(ＡＥ)ＳｉＡｌＯＮ，(ＡＥ)ＡｌＳｉＮ３，(ＡＥ)２Ｓｉ５Ｎ８を含むことができ、ここでＡＥは、アルカリ希土金属、硫化物、オルトシリケートである。
開口部３に変換セグメント４として未焼結のセラミック材料を充填する代わりに、例えばシリコーンのようなマトリクス材料を開口部３に充填することも可能であり、ここでこのシリコーンは、例えば粉末状の波長変換物質を含有する。この場合、有利にはグリッド材料１は、開口部３が充填される前に焼結される。波長変換物質を含有するシリコーンのようなマトリクス材料を使用することにより、波長変換物質およびグリッド材料に対し、上の一般的な記述部分で挙げた複数の材料からなる任意の組み合わせを使用することができる。
有利には変換セグメント４により、入射１次放射が異なる第２放射に変換されるようにこの変換セグメント４を異なって設計することも可能である。
変換セグメント４の最善の光学的分離が得られるようにするため、グリッド材料１は有利には、紫外光および／または可視光に対して非透過とする。特に好適であるのは、グリッド２が紫外光および／または可視光に対して反射性を有することである。それ自体非透光性でありまた有利には反射性であるグリッド材料１をこのために選択することができる。さらにグリッド２を非透過性および有利には反射性にする作用を有する粒子または孔の混合物をグリッド材料１が含むようにすることも可能である。孔は、例えば、適切な焼結添加物によっておよび／または適切な焼結条件によって作製可能である。放射反射粒子として有利には、グリッド材料とは異なる屈折率を有する粒子が、グリッド材料１に添加され、例えば、これらの粒子は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２または上の一般的な記述部分で挙げた任意の別の材料を含有するかまたはこれらの材料から構成することができる。例えば、グリッド材料１として、Ａｌ２Ｏ３またはＴｉＯ２が充填されかつドーピングされていないＹＡＧの組み合わせが特に有利になり得る。
図２には波長変換素子１０の別の実施形態が示されており、ここでは前の実施形態の波長変換素子１０と比べると、グリッド２は、変換セグメント４よりも厚い。この結果、個々の変換セグメント４の互いの光学的分離を改善することができる。
図３には波長変換素子１０の別の実施形態が示されており、この波長変換素子は、前に述べた実施形態と比較して、セラミックグリッド材料１を含むただ１つの層だけではなく、セラミックグリッド材料１を含む複数の焼結された層５，５’，５”が含まれており、これらの層は、図１Ａに関連して上で説明したステップに対応するステップにおいて上下に積層されている。この結果、グリッド材料１の層厚とは無関係に、所望の高さを有する波長変換素子１０のグリッド２を作製することができる。さらに個々の層５，５’，５”に対し、グリッド材料１用の異なる組成物を使用することも可能である。図３に示した３つの層５，５’，５”の個数は、単に例である。グリッド２は、図２の実施形態のように変換セグメント４よりも高くすることができる。さらに、多層のグリッド２が、変換セグメント４と同じ厚さを有することも可能である。
図４には前の実施形態にしたがい、波長変換素子１０を有する発光半導体コンポーネント１００の実施形態が示されている。波長変換素子１０は、光結合出力面２１を有する発光半導体チップ２０上に配置されており、動作中、この光結合出力面を介し、放射方向４０に沿って１次放射、例えば青色光を放射することができる。このために波長変換素子１０が、例えばシリコーンである接続層３０によって半導体チップ２０の光結合出力面２１上に接着接合されている。
半導体チップ２０の動作中、半導体チップ２０の１次放射は、波長変換素子１０の変換セグメント４において、対応する２次放射に変換される。有利には紫外光および／または可視光に対して非透過光性でありかつ特に有利にはこれらを反射するように設計された、複数の変換セグメント４間のグリッド２によって変換セグメント４間の光クロストークを阻止することができる。このことは特に、発光半導体チップ２０が、互いに独立して駆動可能な発光セグメントを有し、これらの発光セグメントの各々が、光結合出力面２１の関連する放射領域を介して、その上に配置された変換セグメント４に１次放射を放射する場合に有利であり、ここでは波長変換素子１０の各変換セグメント４はそれぞれ、放射方向にみて、半導体チップ２０の複数の発光セグメントの１つの下流に配置されている。半導体チップ２０の個々の発光セグメントを独立しかつ目標を設定して駆動することにより、発光半導体コンポーネント１００によって放射される光を、その強度について、また特にその色について、制御することができ、これによって発光半導体１００により、混合色および／または白色の光の可変の放射が可能になる。
発光半導体コンポーネント１００を製造するため、波長変換素子１０は、例えば半導体チップ２０に適用する前に完成することができ、例えば、未焼結のセラミック変換セグメントおよび未焼結のセラミックグリッド材料の（上記のような）接合焼結によって完成することができる。
さらに特に、例えば波長変換物質が充填されたシリコーンのようなマトリクス材料を使用する場合、まず、充填されていない開口部３を有する焼結されたグリッド２を配置して、発光半導体チップ２０の光結合出力面２１に固定し、引き続き、変換セグメント４を作製するために波長変換物質を含有するマトリクス材料をグリッドの開口部３に充填する。
本発明は、上記の複数の実施形態に基づく説明により、これらの実施形態に限定されるものではない。さらに本発明は、特に特許請求の範囲の特徴の任意の組み合わせを含む新たな特徴および複数の特徴の任意の組み合わせを包含するものであり、この特徴またはその組み合わせ自体が特許請求の範囲または実施形態に明示的に示されていないとしてもこれを包含するものである。
Claims (15)
- 発光半導体チップ（２０）と、セラミックグリッド材料（１）を有する波長変換素子（１０）とを備えた発光半導体コンポーネント（１００）であって、
前記発光半導体チップ（２０）は、互いに独立して駆動可能な複数の発光セグメントを有しており、前記複数の発光セグメントは、それぞれ、光結合出力面の関連する放射領域を介して１次放射を放出し、
前記セラミックグリッド材料（１）は、複数の開口部（３）を有するグリッド（２）を形成しており、当該開口部（３）は、前記グリッド（２）の主延在面（９）において前記セラミックグリッド材料（１）によって取り囲まれており、かつ、当該開口部（３）は、前記グリッド（２）の前記主延在面（９）に対して垂直な方向に前記グリッド（２）を通って延在しており、
前記開口部（３）に変換セグメント（４）が充填されており、
前記グリッド（２）は、紫外光および／または可視光に対して非透過であり、
前記変換セグメント（４）は、前記発光半導体チップの前記発光セグメントの上方に配置されている、
ことを特徴とする発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記グリッド（２）は、紫外光および／または可視光に対して反射性を有する、
請求項１に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記セラミックグリッド材料（１）には、ＹＡＧ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＡｌＮのうちの１つまたは複数の材料から選択されかつドーピングされていないセラミック材料が含まれる、
請求項１または２に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記セラミックグリッド材料（１）とは異なる屈折率を有する孔または放射反射粒子が、当該セラミックグリッド材料（１）内に配置されている、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記放射反射粒子にＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２のうちの少なくとも１つの材料が含まれている、
請求項４に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記グリッド（２）は、前記変換セグメント（４）よりも厚い、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記変換セグメント（４）には、ＹＡＧ：Ｃｅ，ＬｕＡＧ：Ｃｅ，ＬｕＹＡＧ：Ｃｅのうちの１つまたは複数の材料から選択されかつドーピングされたセラミック材料が含まれている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記ドーピングされたセラミック材料は、０．１％以上かつ４％以下のＣｅ含有量を有する、
請求項７に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記変換セグメント（４）には、
・ (ＡＥ)ＳｉＯＮ，(ＡＥ)ＳｉＡｌＯＮ，(ＡＥ)ＡｌＳｉＮ３，(ＡＥ)２Ｓｉ５Ｎ８，ただしＡＥは、アルカリ土類金属である、
・ 硫化物、
・ オルトシリケート
から選択された１つまたは複数の材料が含有されている、
請求項１から８までのいずれか１項に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 前記変換セグメント（４）には、シリコーンのマトリクス材料内の波長変換物質が含まれている、
請求項１から９までのいずれか１項に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 入射１次放射が、前記変換セグメント（４）によって異なる２次放射に変換されるように、前記変換セグメント（４）が異なって設計される、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。
- 第１開口部には第１変換材料が充填され、第２開口部には第２変換材料が充填され、前記第１変換材料は第１波長を有する放射を放出するために設けられており、前記第２変換材料は第２波長を有する放射を放出するために設けられており、前記第２波長は、前記第１波長と異なる、
請求項１から１１までのいずれか１項に記載の発光半導体コンポーネント（１００）。 - 波長変換素子を製造する方法において、
Ａ） 未焼結のセラミックグリッド材料からなる層を作製するステップと、
Ｂ） 前記層内に複数の開口部を作製して、前記セラミックグリッド材料がグリッドを形成するようにするステップであって、当該グリッドでは、前記開口部が、前記グリッドの主延在面において前記セラミックグリッド材料によって取り囲まれており、かつ、前記開口部が、前記グリッドの前記主延在面に対して垂直な方向に前記グリッドを通って延在している、ステップと、
Ｃ） 前記開口部に、セラミック波長変換物質を含有するペースト状の未焼結の変換セグメント、または、未焼結のセラミック小板状の未焼結の変換セグメントを充填するステップと、
Ｄ） 連続した波長変換素子を形成するため、前記未焼結の変換セグメントを前記未焼結のセラミックグリッド材料と共に焼結するステップと
を有し、
前記焼結されたセラミックグリッド（２）は、紫外光および／または可視光に対して非透過である、
ことを特徴とする、波長変換素子を製造する方法。 - 前記グリッドを形成するため、前記未焼結のセラミックグリッド材料からなる複数の層は、１つの層が別の１つの層の上になるように載置される、
請求項１３に記載の方法。 - 請求項１に記載の発光半導体コンポーネントを製造する方法であって、
前記波長変換素子を、請求項１３に記載の方法によって製造し、引き続いて前記発光半導体チップの前記光結合出力面上に配置する、
ことを特徴とする、発光半導体コンポーネントを製造する方法。
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