TWI520385B - 光電組件 - Google Patents

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TWI520385B TW100126340A TW100126340A TWI520385B TW I520385 B TWI520385 B TW I520385B TW 100126340 A TW100126340 A TW 100126340A TW 100126340 A TW100126340 A TW 100126340A TW I520385 B TWI520385 B TW I520385B
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亞歷山大 林可夫
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歐斯朗奧托半導體股份有限公司
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Description

光電組件
本發明涉及一種光電組件，其用來將不同波長之電磁輻射相混合。
為了由不同的半導體晶片之電磁輻射產生一混合光，目前須使用光盒。借助於光盒，則只能產生強度之角度分佈較狹窄之遠場。特別是在光電組件之輸出多角形平面上可支配儘可能廣泛地混合的光之此種光電組件未為人所知。
本發明的目的是提供一種具有半導體晶片之光電組件，該半導體晶片發出不同的光譜區中之電磁輻射，且該光電組件在其輸出多角形平面上可支配儘可能廣泛地混合的光。
上述目的藉由具有申請專利範圍第1項特徵之光電組件以及具有申請專利範圍第14項特徵之發光裝置來達成。
光電組件之其它形式和有利的佈置描述在申請專利範圍各附屬項中。
不同的實施形式具有光電組件，以將不同波長之電磁輻射(特別是遠場中者)相混合。
在一載體上設有具備第一輻射發出面之第一半導體晶片。第一半導體晶片發出第一光譜區中之電磁輻射。在該載體上亦設有具備第二輻射發出面之第二半導體晶片。第二半導體晶片發出第二光譜區中之電磁輻射。在該半導體晶片之遠離該載體之輻射發出面上設有散射層。這樣是有利的，此乃因藉由該散射層可使由不同的半導體晶片所發出之電磁輻射在該光電組件之面上相混合。
換言之，本發明的核心構想是使散射層存在於半導體晶片平面上，可在直接的路徑上發出的光會發生散射且有一部份反射回來。這在粗看時是與此行的專家企圖在輻射發出面上提供一儘可能高的透明度的原始動機相矛盾。在此處所示的解法中，建議安裝著半導體晶片之該載體之造型之吸收率儘可能少，以使半導體晶片及/或載體對光的吸收率下降。於是，由該半導體晶片所發出的輻射之混合主要是由該散射層所促成。該輻射雖然發生散射但只少量地被吸收且(混合後的)輻射之大部份是由光電組件發出。散射粒子用作光學混合元素。
在一較佳的實施形式中，半導體晶片以III-V化合物半導體材料為主。半導體晶片具有至少一發出電磁輻射的活性區。活性區可以是pn接面，雙異質結構，多重式量子井結構(MQW結構)或單一量子井結構(SQW結構)。量子井結構是指：量子井(3維)、量子線(2維)和量子點(1維)。
在一較佳的實施形式中，在半導體晶片之遠離該載體之輻射發出面和該散射層之間設有一種轉換層。該轉換層較佳是將短波長之電磁輻射轉換成長波長之電磁輻射。由於該轉換層配置在半導體晶片和該散射層之間，則將產生另一輻射成份，其在該散射層中與其它的輻射成份相混合。因此，可使已發出之輻射之光譜擴展。
在一較佳的實施形式中，第一半導體晶片以AlGaInP半導體晶片來形成。AlGaInP半導體晶片發出紅色及/或黃色光譜區中的電磁輻射。使用AlGaInP半導體晶片來與發出藍光之半導體晶片相組合時特別有利。發出藍光之該半導體晶片之光譜的一部份藉由一種轉換媒體而轉換至黃色光譜區中。在此種組合中，可藉由AlGaInP半導體晶片而產生暖白色的彩色印象。
在一較佳的實施形式中，第二半導體晶片以InGaN半導體晶片來形成。InGaN半導體晶片發出藍色及/或綠色光譜區中之電磁輻射。使用InGaN半導體晶片以發出藍色光譜區中之輻射是特別有利的，以便借助於一種轉換媒體來產生白光。
較佳是可設置多個AlGaInP半導體晶片及/或多個InGaN半導體晶片。這樣是特別有利的，此乃因這樣可達成一種高的光學輸出功率。
在一較佳的實施形式中，在該光電組件之中央配置AlGaInP半導體晶片。InGaN半導體晶片可以環形及/或以均勻的晶片密度而配置在AlGaInP半導體晶片之周圍。這樣是有利的，此乃因這樣可達成均勻的亮度。
在一較佳的實施形式中，第一和第二半導體晶片被澆注在唯一的澆注體中，特別是以平坦的體積澆注體形式澆注。半導體晶片配置在一平面中。這樣是有利的，此乃因這樣可在載體上使半導體晶片達成高的封裝密度。特別是可使用矽樹脂、環氧樹脂或混合材料來作為澆注材料。
在一較佳的實施形式中，在該轉換層中設有發出磷光的材料以作為轉換媒體。該轉換媒體較佳是由釔-鎵-鋁-石榴石及/或鎦-鋁-石榴石構成的發光粒子。發出磷光的材料是以5至25重量百分比之濃度而均勻地分佈於轉換層中。使用上述的磷是特別有利的，此乃因其可有效地將藍色光譜區之光轉換成綠色至黃色光譜區之光。
在一較佳的實施形式中，在散射層中設有散射粒子以作為散射媒體。較佳是使用濃度為0.05至50重量百分比之二氧化鋁、二氧化矽或二氧化鈦。這些粒子均勻地反射可見光譜區中之輻射。這樣特別有利，此乃因該些散射粒子使所入射的光彈性地散射且促成了與不同波長的光之間的混合。特別是該些散射粒子使由於一些波長的吸收所造成的彩色印象不會失真。
在一較佳的實施形式中，該轉換層在第一半導體晶片上具有透明的澆注材料。此透明的澆注材料能以所謂”晶片上的透鏡”之形式而施加在第一半導體晶片上。”晶片上的透鏡”是一種透明之澆注材料之液滴，其在施加在第一半導體晶片上之後被及時硬化。第一半導體晶片上之透明之澆注材料特別有利，此乃因這樣可防止：經由半導體晶片使光無意地在轉換層中由發出磷光的材料所吸收。若第一半導體晶片是AlGaInP半導體晶片，則紅光可穿過該轉換層而不會發生吸收損耗。
在一較佳的實施形式中，該轉換層在第一半導體晶片(特別是AlGaInP半導體晶片)上具有模鑄的(molded)玻璃或矽樹脂小板。這樣特別有利，此乃因這樣可防止：經由AlGaInP半導體晶片使光無意地在轉換層中由發出磷光的材料所吸收。
在一較佳的實施形式中，在該散射層之面向載體之此側上設有一自由的光混合層，其不具備散射媒體和轉換媒體。這樣特別有利，此乃因光在入射至該散射層上之前至少一部份可被混合。自由的光混合層具有矽樹脂、環氧化物或具有一種混合材料。
在一較佳的實施形式中，半導體晶片以表面發射器來形成，特別是以薄膜晶片來形成。此種半導體晶片以填充著二氧化鈦(TiO2)之矽樹脂(反射率大於95%)來進行澆注直至其活性層之高度為止。或是，亦能以ZrO2、Al2O3或ZnO來填充該矽樹脂。使用高反射率來填充的矽樹脂特別有利，此乃因這樣可防止：載體之自由的區域所造成的吸收損耗。或是，面向該半導體晶片之載體面可塗佈一種反射層(特別是銀)，這同樣可使吸收損耗下降。
在一較佳的實施形式中，該散射層具有透鏡的形式。這樣特別有利，此乃因在與具有均勻厚度(即，不具備透鏡形式)之散射層比較時可形成一較寬廣的發射特性。換言之，更多的光在較大的角度，較佳是大於60度的角度，特佳是大於90度的角度時離開該光電組件。光由光電組件發出時之角度越大，則由其後所配置之反射器而來的混合後的光可更有效率地在前向中發出。
在一較佳的實施形式中，設有位於側面的反射壁，其設定於載體上。就一方面而言，這些壁是有利的，此乃因其在半導體晶片澆注時用作側面之邊界。另一方面，這些壁設計成具有高反射性且因此使更多的由半導體晶片所發出的電磁輻射反射至該光電組件之光發出面的方向中。這些側面的壁可垂直地立在該載體上。或是，這些側面的壁可傾斜於載體而形成。這樣是有利的，此乃因更多的光可反射至該光電組件之光發出面之方向中。藉由傾斜的壁，則可達成更大的光直徑或更大的光輸出多角形平面。
不同的實施形式具有發光裝置，其包括光電組件和二次光學系統。該二次光學系統較佳是反射器。這樣特別有利，此乃因藉由連接於光電組件之後的反射器可特別簡易地且有效地使光電組件中所混合的光在前向中發出。
在一較佳的實施形式中，該反射器至少以區域方式而具有拋物體的形式。此種反射器形式特別有利，此乃因這樣可使由光電組件中所發出之已混合的光之大部份在前向中發出。
本發明之解法之不同的實施例以下將依據圖式來詳述。
各圖式和實施例中相同、相同形式或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。反之，為了清楚之故以及更容易理解，各圖式的一些元件已予放大地顯示出。
圖1顯示光電組件1之切面圖。光電組件1用來將不同波長的電磁輻射(特別是遠場中者)予以混合。在一載體2上設有第一半導體晶片3，其具有第一輻射發出面13以發出第一光譜區14中之電磁輻射。在該載體2上設有另二個半導體晶片4，其具有第二輻射發出面17以發出第二光譜區15中之電磁輻射。半導體晶片3、4位於一個平面(半導體晶片平面6)中，半導體晶片平面6之高度介於0.05毫米和0.3毫米之間，較佳是大約0.2毫米。在半導體晶片3、4之遠離該載體2之第一和第二輻射發出面13、17上設有一散射層8。該散射層8中設有散射粒子12以作為散射媒體，其成份特別是二氧化鋁、二氧化矽或二氧化鈦且濃度為0.05至50重量百分比。散射層8之高度等於第一半導體晶片3和第二半導體晶片4之間的平均橫向距離。在半導體晶片之面積為1平方毫米時，散射層8之高度較佳是介於1毫米和8毫米之間，特佳是2毫米。半導體晶片設計成表面發射器，特別是設計成薄晶片。第一半導體晶片3以AlGaInP半導體晶片來形成，其發出紅色及/或黃色光譜區中的電磁輻射。第二半導體晶片4以InGaN半導體晶片來形成，其發出藍色及/或綠色光譜區中的電磁輻射。在半導體晶片3、4之遠離該載體2之輻射發出面13、17和該散射層8之間配置一轉換層7。此轉換層7將藍色光譜區15之電磁輻射轉換成綠色至黃色光譜區中之電磁輻射。該轉換層7較佳是具有一種介於0.1毫米至0.8毫米之間的高度，特別佳是0.3毫米。可設置一發出磷光的材料11以作為轉換媒體，其特別是釔-鎵-鋁-石榴石及/或鎦-鋁-石榴石。該轉換媒體11以5至25重量百分比之濃度而均勻地分佈在一種澆注材料22中。AlGaInP和InGaN半導體晶片3、4被澆注在唯一的澆注體中，特別是以平坦的體積澆注體之形式澆注。半導體晶片3、4在側面以填充著二氧化鈦之矽樹脂16來澆注直至其活性層之高度為止。填充著二氧化鈦之矽樹脂之反射率可以大於95%。設有位於側面之反射壁5，其垂直地設定於載體2上。在未顯示的另一形式中，該位於側面之反射壁5傾斜地位於載體2上且與該載體2形成一種不等於90度的角度。光直徑9(即，發出光之多角形平面之橫向範圍)可介於3毫米和50毫米之間。典型上該光直徑9是在10毫米和20毫米之間。在目前所主張之實施例中，光流在1000和4000流明之間變化。
圖1a顯示圖1之光電組件所屬之發射輪廓(profile)。光電組件具有藍伯(Lambertic)發射輪廓20。不同的空間方向中的發射強度是與發射角度之餘弦(cosine)成比例。這表示：在由法線(0度)偏離60度時，光強度下降至最大值之50%，且在偏離90度時下降至0%。所謂”在最大值的一半處的全寬度”的值為120度，即，由-60度至+60度。
相對於圖1而言，圖2顯示發出磷光之材料11不均勻地分佈在該轉換層7中的情況下之實施例。發出磷光之材料11以小板的形式存在著，小板配置在InGaN半導 體晶片4之輻射發出面17上。該些小板至少以區域方式而埋置於澆注材料22中。在AlGaInP半導體晶片3之輻射發出面13上未設有發出磷光之材料11。因此，由AlGaInP半導體晶片3所發出之紅光在該轉換層7中未被吸收。此外，圖1的描述亦適用於圖2。
相對於圖1而言，圖3顯示發出磷光之材料11不均勻地分佈在該轉換層7中的情況下之實施例。在圖1所示的實施例中，藉由AlGaInP半導體晶片3上之發光粒子11而使紅光之光強度之數個百分比由於散射及/或吸收而消失。為了使此種效果減小，須在圖3所示之實施例中在AlGaInP半導體晶片3之輻射發出面13上施加透明之澆注材料18之液滴。這亦稱為晶片上之透鏡(Lens On Chip,LOC)。此外，圖1的描述亦適用於圖3。
相對於圖1而言，圖4顯示發出磷光之材料11不均勻地分佈在該轉換層7中的情況下之實施例。為了使散射及/或吸收下降，須在AlGaInP半導體晶片3之輻射發出面13施加模鑄之玻璃19a或矽樹脂小板19b。模鑄之玻璃19a或矽樹脂小板19b可向內伸入至該散射層中。於是，在AlGaInP-半導體晶片3上決不存在發光粒子11。此外，圖1之描述亦適用於圖4。
圖5所示的實施例中在該散射層8之面向該載體2之此側上設有自由之光混合層10。自由之光混合層10不具備散射粒子12和發出磷光之材料11。自由之光混合層10之厚度介於該散射層8和自由之光混合層10之總厚度之20%和98%之間，較佳是50%。該散射層8因 此不是與轉換層7上方之總體積相關而是位於上方之光混合區中。藉由電磁輻射在該自由之光混合層10中的自由傳送，則由半導體晶片所發出之光的一部份已在入射至該散射層8之前進行混合。又，圖1之描述亦適用於圖5。
相對於圖5，圖6所描述的實施例中該散射層8具有透鏡的形式。該散射層是與側面的壁5相齊平。在側面的各壁之間的中央處，該散射層具有最大的厚度。換言之，設置在該中央處之散射粒子12之數目最多。在該自由之光混合層10中自由傳送之後，由半導體晶片3、4所發出之光入射至散射粒子12。這樣會造成一種輻射分佈，其就角度分佈而言較藍伯式(Lambertic)分佈更寬。又，圖5之描述亦適用於圖6。
圖6a顯示圖6之光電組件所屬之發射輪廓21。該轉換層7之透鏡形式決定了發射輪廓21，其就角度分佈而言較藍伯式發射輪廓20更寬。在角度大於大約60度時，非藍伯式發射輪廓21所顯示的強度大於藍伯式發射輪廓。又，相對於藍伯式發射輪廓20而言，非藍伯式發射輪廓21在發射角度大於90度時具有未消失的強度。
相對於圖6而言，圖7所示的實施例中在透鏡形式之散射層8和該轉換層7之間未設置自由之光混合層10。該發射輪廓21對應於圖6a者。該自由之光混合層10未必需要。當然，須使用更多的散射粒子12，以便達成與圖6之實施例一樣之彩色混合品質。這樣會使效率下降。又，圖6之描述亦適用於圖7。
就像圖2一樣，圖8所示的實施例中發出磷光之材料11不均勻地分佈在該轉換層7中。發出磷光之材料11以小板的形式存在著，小板配置在InGaN半導體晶片4之輻射發出面17上。在AlGaInP半導體晶片3之輻射發出面13上未設有發出磷光之材料11。由AlGaInP半導體晶片3所發出之光在該轉換層7中未被吸收。相對於圖2而言，該散射層8具有透鏡之形式。該散射層8是與側面之壁5齊平。在側面的各壁之間的中央處，該散射層具有最大的厚度。換言之，設置在該中央處之散射粒子12之數目最多。
圖9顯示對圖1、2、3、4、5、6、7及8之實施例進行模擬而得的發射輪廓。由圖1、2、3、4及5之實施例而得的發射輪廓在該模擬中相同，其分別顯示一種藍伯式發射輪廓20。特別是該強度在90度時下降至零。由圖6、圖7和圖8之實施例而得的發射輪廓在該模擬中相同，各圖分別顯示一種發射輪廓21，其就角度分佈而言較藍伯式發射輪廓20還寬。特別是該強度在90度時大約是零度時之最大強度之10%。在大約110度時，強度下降至0。
圖10顯示一發光裝置100，其包括光電組件1。此光電組件1耦合至反射器101形式的二次光學系統上。由光電組件所發出之混合光102由反射器101反射至前向中。光電組件1發出光時的角度越大，則由反射器101反射至前向中的混合光103之強度亦越大。該反射器101可至少以區域方式而具有拋物體的形式。光電組件1座落在該拋物體之焦點104之平面中。拋物體最小值消失。換言之，該反射器101只具有一拋物體之側壁。該反射器101是與光電組件1齊平。
依據一些實施例來對光電組件進行了描述以說明本發明所依據的構想。各實施例不限於特定的特徵組合。當一些特徵和佈置只與特殊的實施例或各別的實施例相結合而描述時，其分別可與其它實施例之其它特徵相組合。同樣，在各實施例中，各別顯示的特徵或特殊的佈置可省略或添加，只要一般的技術原則可實現即可。
1‧‧‧光電組件
2‧‧‧載體
3‧‧‧第一半導體晶片
4‧‧‧第二半導體晶片
5‧‧‧位於側面之壁
6‧‧‧半導體晶片平面
7‧‧‧轉換層
8‧‧‧散射層
9‧‧‧光直徑
10‧‧‧自由之光混合層
11‧‧‧發出磷光之材料，特別是發光粒子
12‧‧‧散射粒子
13‧‧‧第一輻射發出面
14‧‧‧第一光譜區中之電磁輻射
15‧‧‧第二光譜區中之電磁輻射
16‧‧‧側面之澆注體，以二氧化鈦來填充之矽樹脂
17‧‧‧第二輻射發出面
18‧‧‧晶片上之透鏡(=透明之澆注材料之液滴)
19a‧‧‧模鑄之玻璃
19b‧‧‧矽樹脂小板
20‧‧‧藍伯輻射器之發射輪廓
21‧‧‧寬度大於藍伯輻射器之發射輪廓
22‧‧‧澆注材料，轉換層
23‧‧‧澆注材料，散射層
100．．．發光裝置
101．．．反射器
102．．．由光電組件發出之混合光
103．．．由反射器反射之混合光
104．．．至少以區域方式而成為拋物體形式之反射器之焦點
圖1顯示光電組件之切面圖。
圖1a顯示圖1之光電組件之發射輪廓。
圖2顯示光電組件之切面圖。
圖3顯示光電組件之切面圖。
圖4顯示光電組件之切面圖。
圖5顯示光電組件之切面圖。
圖6顯示光電組件之切面圖。
圖6a顯示圖6之光電組件之發射輪廓。
圖7顯示光電組件之切面圖。
圖8顯示光電組件之切面圖。
圖9顯示光電組件之不同實施形式之與角度有關的強度分佈。
圖10顯示發光裝置之切面圖。
1．．．光電組件
2．．．載體
3．．．第一半導體晶片
4．．．第二半導體晶片
5．．．位於側面之壁
6．．．半導體晶片平面
7．．．轉換層
8．．．散射層
9．．．光直徑
11．．．發出磷光之材料，特別是發光粒子
12．．．散射粒子
13．．．第一輻射發出面
14．．．第一光譜區中之電磁輻射
15．．．第二光譜區中之電磁輻射
16．．．側面之澆注體，以二氧化鈦來填充之矽樹脂
17．．．第二輻射發出面
22．．．澆注材料，轉換層
23．．．澆注材料，散射層

Claims (18)

  1. 一種光電組件(1)，用來將不同波長之電磁輻射予以混合，包括：- 載體(2)，- 至少一配置在該載體(2)上之第一半導體晶片(3)，其具有第一輻射發出面(13)用以發出第一光譜區(14)中之電磁輻射，- 至少一配置在該載體(2)上之第二半導體晶片(4)，其具有第二輻射發出面(17)用以發出第二光譜區(15)中之電磁輻射，其中- 在該些半導體晶片(3、4)之遠離該載體(2)之該些輻射發出面(13、17)上設有散射層(8)- 以反射率大於95%且填充有二氧化鈦之矽樹脂來澆注該些半導體晶片(3、4)至少至其活性層頂端之高度為止；- 在該些半導體晶片(3、4)之遠離該載體(2)之該些輻射發出面(13、17)和該散射層(8)之間設有轉換層(7)；- 在該第一半導體晶片(3)上之該轉換層(7)中配置有透明之澆注材料、模鑄之玻璃或矽樹脂小板，以便從第一半導體晶片(3)發射的光穿過該轉換層而不會發生吸收損耗。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中該光電組件係建構成用來將在遠場中不同波長之電磁輻射予以混合。
  3. 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中該第一半導體晶片(3)以AlGaInP半導體晶片來形成，其發出紅色及/或黃色光譜區中之電磁輻射。
  4. 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中該第二半導體晶片(4)以InGaN半導體晶片來形成，其發出藍色及/或綠色光譜區中之電磁輻射。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電組件，其中該第一半導體晶片(3)和該第二半導體晶片(4)被澆注在唯一的澆注體中。
  6. 如申請專利範圍第5項之光電組件，其中該第一半導體晶片(3)和該第二半導體晶片(4)是以平坦的體積澆注之形式澆注。
  7. 如申請專利範圍第2項之光電組件，其中在該轉換層(7)中設有發出磷光的材料(11)以作為轉換媒體，其具有5至25重量百分比之濃度。
  8. 如申請專利範圍第7項之光電組件，該發出磷光的材料(11)是釔-鎵-鋁-石榴石或鎦-鋁-石榴石。
  9. 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中在該散射層(8)中設有散射粒子(12)以作為散射媒體，其濃度為0.05至50重量百分比。
  10. 如申請專利範圍第9項之光電組件，其中在該散射層(8)中設有散射粒子(12)，其為二氧化鋁、二氧化矽或二氧化鈦。
  11. 如申請專利範圍第2項之光電組件，其中在該第一半導體晶片(3)上之該轉換層(7)中配置透明之澆注材料 (22)。
  12. 如申請專利範圍第11項之光電組件，其中澆注材料(22)是「晶片上之透鏡(lens on chip)(18)」的形式。
  13. 如申請專利範圍第2項之光電組件，其中在該第一半導體晶片(3)上之該轉換層(7)中配置模鑄之玻璃(19a)或矽樹脂小板(19b)。
  14. 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中在該散射層(8)之面向該載體(2)之此側上設有自由的光混合層(10)，其未具備散射媒體和轉換媒體。
  15. 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中該散射層(8)具有透鏡的形式。
  16. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電組件，其中設有位於側面之反射壁(5)，其設定在該載體(2)上。
  17. 一種發光裝置(100)，其具有如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電組件(1)，其中該光電組件(1)耦合至反射器(101)形式之二次光學系統。
  18. 如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中在該反射器(101)至少以區域方式而具有拋物體之形式。
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