CN101297412B - 发射辐射的光电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电子器件，具有：半导体本体(1)，其包括有源半导体层序列(2)，该有源半导体层序列适于产生第一波长的电磁辐射，该电磁辐射从半导体本体(1)的前侧(3)发射。此外，该器件还包括在半导体本体(1)辐射方向上设置在该半导体本体之后的第一波长转换材料(6)，其将第一波长的辐射转换成与第一波长不同的第二波长的辐射，以及在有源半导体层序列(2)与第一波长转换材料(6)之间的第一选择性反射层(8)，该层选择性地反射第二波长的辐射并且对第一波长的辐射是透射性的。
Description
本发明涉及一种具有波长转换材料的光电子器件。
具有波长转换材料的发射辐射的光电子器件例如已在出版物WO97/50132中被说明。这种光电子器件包括发射电磁辐射的半导体本体和波长转换材料，该波长转换材料将该辐射中的一部分转换成其他(通常更大)波长的辐射。
例如在出版物DE 101 42 009 A1中所描述的那样，半导体本体的辐射可以来自短波紫外光谱范围。由于紫外辐射通常损伤人眼，所以在出版物DE 101 42 009 A1中建议在半导体本体的辐射方向上将不透射紫外辐射的层设置在波长转换材料之后，该不透射紫外辐射的层优选构造为从单侧或者从两侧对紫外辐射是反射性的。
本发明的任务是提供一种具有波长转换材料的光电子器件，该光电子器件具有高的效率。
该任务通过一种光电子器件来解决。光电子器件的有利改进方案和实施形式在从属权利要求中予以说明。
具有高效率的光电子器件尤其包括：
-半导体本体，其包括有源半导体层序列，该半导体层序列适于产生第一波长的电磁辐射，该电磁辐射从半导体本体的前侧发射，
-在半导体本体的辐射方向上设置在半导体本体之后的第一波长转换材料，其将第一波长的辐射转换成不同于第一波长的第二波长的辐射，以及
-在有源半导体层序列与第一波长转换材料之间的第一选择性反射层，其对第二波长的辐射是选择性地反射的而对第一波长的辐射是透射性的。
借助设置在有源半导体层序列与第一波长转换材料之间的第一选择性反射层，有利地提高了器件的效率，因为第一选择性反射层防止转换后的第二波长的辐射被反射回半导体本体的有源半导体层序列并在那里被吸收。
在一种有利的实施形式中，第一选择性反射层邻接半导体本体，尤其是邻接其发射辐射的前侧。在一种实施形式中，第一选择性反射层至少部 分地(而优选完全地)覆盖半导体本体的朝着发射辐射的前侧的面。在另一实施形式中，第一选择性反射层另外还部分或者完全覆盖半导体本体的侧面，换言之，部分或者完全覆盖了半导体本体的构造为与发射辐射的前侧垂直或者成至少一个角度的面。
优选地，第一选择性反射层单片地集成进半导体本体的发射辐射的前侧中。在该实施形式中，第一选择性反射层通常通过如下工艺来制造：该工艺也用于制造半导体本体或者良好地与半导体本体兼容，例如溅射或者外延生长。由此，能够有利地实现技术上简单的制造工艺。
可替换地，第一选择性反射层也可以被浇上、离心涂布上或者喷射上。
在又一有利的实施形式中，第一选择性反射层还从半导体本体侧向来构建，例如构建在器件壳体或者支承体的底面上，其中半导体本体安装到该支承体上。如果半导体本体以侧面安装到器件壳体的凹处中，则器件壳体的形成凹处边界的侧面也优选设置有第一选择性反射层。通过在半导体本体侧向构建第一选择性反射层，有利地将转换过的辐射朝着器件的前侧反射，否则该辐射会被器件壳体吸收。
在另一优选的实施形式中，替换第一选择性反射层，在半导体本体侧构建另一镜面反射或者漫射反射的层。该层优选被构建为使得其反射明显更大的波长范围的辐射，该波长范围特别优选地包括转换过的辐射和未被转换的辐射。这样，有利的是，也明显减少了未被转换的辐射的吸收，例如减少了由于器件壳体材料或者其上安装有半导体本体的支承体引起的吸收。优选地，金属层被用作另外的反射层，该金属层例如具有金或银。与第一选择性反射层相比，该另一反射层通常可以明显更简单地被制造，因为对其反射率的要求较低。
在一种可替换的有利实施形式中，第一选择性反射层并不邻接半导体本体，而是与半导体本体间隔。特别地，第一选择性反射层与半导体本体的发射辐射的前侧间隔，并且在辐射方向上设置在该前侧之后。
辐射方向尤其是应理解为如下的方向：该方向通过从有源半导体层序列的主延伸平面朝着半导体本体的发射辐射的前侧对准的距离向量来确定。
在一种优选的实施形式中，第一波长源自紫外、蓝光或者绿光光谱范围。因为波长转换材料通常将辐射转换成更大波长的辐射，在可见光谱范围的短波端的波长和紫外光谱范围的短波端的波长特别适于结合使用波 长转换材料。
适于发射紫外、蓝光和/或绿光辐射的半导体本体通常包括有源层序列，该有源层序列基于氮化物-化合物半导体材料或者磷化物-化合物半导体材料。
概念“基于氮化物-化合物半导体材料的有源层序列”在上下文中表示，该有源层序列包括氮化物-III-化合物半导体材料的有源层序列，优选包括AlnGamIn1-n-mN，其中0≤n≤1、0≤m≤1并且n+m≤1。在此，该材料并非一定必须具有按照上面的式子的在数学上精确的组分。更准确地说，它可以特别是具有一种或者多种掺杂材料以及附加的组成成分，它们基本上不改变AlnGamIn1-n-mN材料的物理特性。然而，出于简单的原因，上面的式子仅仅包含晶格的主要组成成分(Al，Ga，In，N)，即使这些成分还可部分被少量其他材料所代替。
此外，“基于磷化物-化合物半导体材料的有源层序列”在上下文中表示，有源层序列包括磷化物-III-化合物半导体材料，优选包括AlnGamIn1-n-mP，其中0≤n≤1、0≤m≤1并且n+m≤1。在此，该材料并非一定必须具有按照上面的式子的在数学上精确的组分。更准确地说，它可以特别是具有一种或者多种掺杂材料以及附加的组成成分，它们基本上不改变AlnGamIn1-n-mP材料的物理特性。然而，出于简单的原因，上面的式子仅仅包含晶格的主要组成成分(Al，Ga，In，P)，即使这些成分还可部分被少量其他材料所代替。
半导体本体的有源层序列例如外延地生长，并且优选包括pn结、双异质结构、单量子阱或者特别优选地包括多量子阱结构(MQW)用于产生辐射。术语量子阱结构在此不包含关于量子化的维数的说明。因此，该术语尤其包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。MQW结构的例子在出版物WO 01/39282、US 5,831,277、US 6,172,382 B1和US 5,684,309中已说明，其公开内容通过引用结合于此。例如，发光二极管芯片(简称“LED芯片”)可以用作半导体本体。
如果第一波长源自可见光谱范围，例如源自蓝光或者绿光光谱范围，则器件优选发射混合辐射，该混合辐射包括第一波长的辐射和第二波长的辐射。通过波长转换材料的选择和浓度来制造可在宽的范围中调节其色度坐标的器件。特别优选的是，混合辐射包括不同颜色的辐射，使得混合辐射的色度坐标在CIE标准色表的白色范围中。
特别优选的是，使用一种半导体本体，其发射在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射，与波长转换材料结合，该波长转换材料将蓝光辐射转换成在黄光光谱范围中的第二波长的辐射。这样，有利的是，可以以技术上简单的方式和方法来实现如下的光电子器件：该光电子器件发射色度坐标在CIE标准色表的白色范围中的混合辐射。
然而，如果所使用的半导体本体仅仅发射在不可见光谱范围中(例如在紫外光谱范围中的)的第一波长的辐射，则力争将该辐射尽可能完全转换，因为该辐射对器件的亮度没有贡献。在短波辐射(如UV辐射)的情况下，该辐射甚至会损伤人眼。
出于这样的原因，在这种器件中优选设有一些措施，这些措施应防止器件发射短波辐射。这些措施例如可以是吸收颗粒或者反射元件，它们在半导体本体的辐射方向上设置在第一波长转换材料之后，并且吸收不希望的短波辐射或者将短波辐射反射回波长转换材料。
在一种优选的实施形式中，光电子器件包括第二波长转换材料，该材料将第一波长的辐射转换成与第一波长和第二波长不同的第三波长的辐射。
如上面已经阐述的那样，在使用仅发射在不可见光谱范围中的第一波长的辐射(例如紫外辐射)的半导体本体的情况下，通常力争将该辐射尽可能地完全转换。通过使用将第一波长的辐射转换成与第一和第二波长不同的第三波长的辐射的第二波长转换材料，有利地可以实现一种器件，该器件发射由第二波长的辐射和第三波长的辐射构成的混合辐射。如果第一波长来自紫外光谱范围，则优选选择一种第一波长转换材料，该材料将第一波长的辐射的一部分转换成在黄光光谱范围中的第二波长的辐射，以及一种第二波长转换材料，其将第一波长的辐射的剩余部分转换成在蓝光光谱范围中的第三波长的辐射。
如果该器件包括仅发射在不可见的、紫外的光谱范围中的第一波长的辐射的半导体本体，则在半导体本体的辐射方向上将应当防止器件发射短波辐射的措施优选设置在所有波长转换材料之后。
如果半导体本体反射在可见光谱范围中的第一波长的辐射，则光电子器件在使用第二波长转换材料的情况下优选发射混合辐射，该混合辐射具有第一、第二和第三波长的辐射。在这种器件中，混合辐射的色度坐标可以有利地在CIE标准色表的特别大的范围中被调节。在一种优选的实施 形式中，半导体本体、第一波长转换材料和第二波长转换材料相互协调，使得第一波长源自蓝光光谱范围、第二波长源自红光光谱范围而第三波长源自绿光光谱范围。以这样的方式可以产生色度坐标在CIE标准色表的白色范围中的混合辐射。
在使用第二波长转换材料的情况下，第一选择性反射层优选构建为使得其除了第二波长的辐射之外也选择性地反射第三波长的辐射，由此有利的是，由第二波长转换材料转换的辐射在半导体本体的有源半导体层序列中不被吸收。
特别优选的是，光电子器件发射色度坐标在CIE标准色表的白色范围中的混合辐射，因为该混合辐射具有多种应用，例如应用于显示器的背光照明或者车辆的照明。
在一种优选的实施形式中，半导体本体设置有对器件的辐射透射性的包封物，该包封物保护半导体本体例如免受机械和化学的环境影响。
在另一合乎目的的实施形式中，包封物包括第一波长转换材料。替换地，第一波长转换材料也可以被波长转换层包括。波长转换层的优点是，波长转换层可简单地重复制造，并且此外还有助于器件的尽可能均匀的色觉，因为相对于辐射在包封物中的路径长度，辐射在波长转换层内的路径长度以简单的方式被统一。特别优选地，波长转换层具有恒定的厚度，因为这样特别有利地起到这种作用。
如果使用第二波长转换材料，则包封物或者第一波长转换层除了包含第一波长转换材料之外还可以包含第二波长转换材料。此外，可能的是，第二波长转换层包括第二波长转换材料。出于上面所述的原因，第二波长转换层也优选具有恒定的厚度。
在一种有利的实施形式中，尤其是当第一选择性反射层单片集成进半导体本体中时，波长转换层之一与半导体本体邻接地设置。
如果第一选择性反射层邻接半导体本体，而不单片集成进半导体本体中，或者如果第一选择性反射层与半导体本体间隔，则在另一实施形式中波长转换层之一邻接第一选择性反射层设置，合乎目的地邻接第一选择性反射层的与半导体本体背离的面地设置。
可替换地，第一波长转换层或者第一和第二波长转换层与半导体本体间隔并且与第一选择性反射层间隔。
例如，在一个实施例中光电子器件包括覆盖元件，该覆盖元件包括第一和/或第二波长转换层。
可替换地或者附加地，覆盖元件也可以包括第一选择性反射层。优选地，覆盖元件具有支承衬底，该支承衬底例如包含玻璃或者由玻璃构成，并且第一波长转换层、第二波长转换层和/或第一选择性反射层被施加到该支承衬底上。在一种合乎目的的扩展方案中，支承衬底具有朝着半导体本体的主面和/或与半导体本体背离的主面。优选地，第一选择性反射层因此被施加到支承衬底的朝着半导体本体的主面上，和/或第一波长转换层被施加到支承衬底的与半导体本体背离的主面上。
有利地，可以特别简单地制造具有这种覆盖元件的光电子器件。例如，在支承衬底上可以特别简单地制造第一波长转换层。
特别是包括第一选择性反射层和第一以及必要时第二波长转换层的覆盖元件优选使用在如下的光电子器件中：其中半导体本体安装进凹处，例如反射槽中，该凹处例如是器件壳体的一部分。该凹处在一种实施形式中至少部分填充以包封物。通常，半导体本体例如借助接合线与其发射辐射的前侧电接触。
有利地，在该实施形式中，覆盖元件的第一选择性反射层防止了在第一和/或第二波长转换层中所反射的荧光辐射射到凹处的壁上以及射到接合线上。这样，具有第一选择性反射层的覆盖元件除了半导体本体中的吸收损耗之外有利地防止了光电子器件中的其他吸收损耗，例如在反射槽和/或接合线上的吸收损耗。该器件因此是特别有效率的。
由于第一选择性反射层，对于器件中的吸收损耗无关紧要的是，具有第一和/或第二波长转换层的覆盖元件距离半导体芯片、并且尤其是距离该器件多远。有利地可以取消用于使吸收损耗最小化的大的距离。在一种优选的实施形式中，该覆盖元件直接设置在反射槽和/或包封物之后。例如，该覆盖元件与反射槽和/或包封物粘合在一起。这样，有利的是，覆盖元件的发射辐射的面是特别小的，使得该器件为具有小的伸展的光源，该光源可以被良好地光学成像。
特别优选地，包封物具有基体材料，而第一和/或第二波长转换材料具有颗粒，这些颗粒嵌入包封物的基体材料中。特别优选地，第一和必要时第二波长转换材料的颗粒均匀地分布在基体材料中，因为这有利地简化了器件的色觉的均匀化。
在器件的一种合乎目的的扩展方案中，第一和/或第二波长转换层也具有基体材料，并且第一和/或第二波长转换材料具有颗粒，这些颗粒嵌在第一和/或第二波长转换层的基体材料中并且特别优选地均匀分布。
如果两种波长转换材料被使用在器件中，则这些材料在一种实施形式中在空间上分开地设置，使得器件包括两个彼此不同的区域，每个区域都仅仅具有这两种波长转换材料中的一种。这样，这两种波长转换材料例如可以在空间上彼此分开地设置，其方式是第一波长转换材料包含在半导体本体的包封物中，而第二波长转换材料包含在邻接半导体本体的第二波长转换层中。此外，可能的是，两种波长转换材料空间上分开地设置，其方式是两个不同的波长转换层包括这两种波长转换材料，其中一个波长转换层例如邻接半导体本体地设置，而另一个在半导体本体的发射方向上设置在该波长转换层之后。
如果两种波长转换材料在空间上分开地设置，则包含第一波长转换材料的区域和包含第二波长转换材料的区域特别优选地设置在半导体本体的发射辐射的前侧之后，使得在半导体本体的辐射方向上从半导体本体来看，由相应的波长转换材料将第一波长的辐射所转换成的波长分别比关于半导体本体的辐射方向在前面的波长转换材料将第一波长的辐射所转换成的波长更短。波长转换材料的这种空间上分开的布置的优点是，可以特别有效地降低由其他波长转换材料对已被波长转换材料转换的辐射的吸收。
在另一优选的实施形式中，在半导体本体的辐射方向上，在第一波长转换材料和必要时第二波长转换材料之后设置有第二选择性反射层，第二选择性反射层选择性反射第一波长的辐射中预先给定的份额，并且对第一波长的辐射的另一部分以及对第二波长的辐射和必要时对第三波长的辐射是透射性的。借助这样的第二选择性反射层，可以提高第一波长的辐射被第一和必要时第二波长转换材料转换的概率。以这样的方式可以有目的地提高被转换的辐射的份额，并且因此相对于不带有第二选择性反射层的器件有利地实现了具有更少量波长转换材料的器件。
在一种有利的实施形式中，有源半导体层序列在器件工作时垂直于器件的主延伸平面发射具有第一波长的电磁辐射的大部分。换言之，由有源半导体层序列发射的第一波长的电磁辐射实际上完全或者至少大部分被定向，更为确切地说，优选平行于有源半导体层序列的主延伸平面上的平面法线。
这种定向的辐射例如可以通过一种半导体本体来实现，该半导体本体是薄膜发光二极管芯片。薄膜发光二极管芯片良好近似于朗伯(Lambert’scher)表面辐射器。尤其是，所发射的电磁辐射的辐射强度良好近似地随着有源半导体层序列上的平面法线与辐射所发射的方向之间的角度的余弦而减小。
薄膜发光二极管芯片的特色尤其是以下特征：
-在特别是外延生长的半导体本体的朝着支承元件的第一主面上(换言之，在半导体本体的与发射辐射的前侧对置的后侧上)施加或者构建有反射层，该反射层将外延层序列中所产生的电磁辐射的至少一部分反射回半导体本体中；
-半导体本体具有20μm或者更小范围中的厚度，特别是10μm范围中的厚度；以及
-半导体本体含有至少一个如下的半导体层：该半导体层带有至少一个具有混匀结构的面。在理想情况下，该混匀结构导致光在半导体本体中的近似各态历经的分布，也就是说，该结构具有尽可能各态历经的随机散射特性。
薄膜发光二极管的基本原理例如在1993年10月18日，I.Schnitzer等人所著的出版物Appl.Phys.Lett.63(16)，第2174-2176页中进行了描述，其公开内容通过引用结合于此。薄膜发光二极管芯片的例子在出版物EP 0905797 A2和WO 02/13281 A1中已说明，其公开内容通过引用结合于此。
在一种合乎目的的实施形式中，第一和/或必要时第二选择性反射层具有层序列，该层序列具有介电层，这些介电层交替地具有高折射率和低折射率。特别优选的是，交替地具有高折射率和低折射率的介电层构成的层序列的第一和/或必要时第二选择性反射层是布拉格反射器，因为这种相对于彼此反射的层(诸如金属层)通常具有对反射的辐射的更低的吸收。布拉格反射器对技术人员而言是已知的并且因此在此不详细地予以阐述。
在一种有利的实施形式中，第一选择性反射层具有高透射率，并且尤其是具有对小于临界波长λG的波长的电磁辐射的小的反射率。第一选择性反射层在该实施形式中优选实施为具有介电层的层序列，这些介电层交替地具有高折射率和低折射率，这些介电层尤其是为布拉格反射器。
相反，第一选择性反射层具有对大于临界波长λG的波长的电磁辐射 的高的反射率以及特别是小的透射率。在选择性反射层对其具有高反射率的波长范围与选择性反射层对其具有高透射率的波长范围之间的过渡尽可能明显，例如在小于或者等于10nm的波长范围内、优选小于或者等于5nm的波长范围内，例如在临界波长λG附近大约3nm的波长范围内。
在该实施形式中，选择性反射层优选是具有临界波长λG的短通滤波器(Kurzpass-Filter)，经常也称作高通滤波器。也就是说，第一选择性反射层基本上对该层对其具有高透射率的电磁辐射是透射性的，并且基本上完全反射该层对其具有高反射率的电磁辐射。换言之，选择性反射层优选实际上完全透射其波长小于临界波长λG的辐射，并且优选实际上完全反射其波长小于临界波长λG的辐射。
在另一有利的实施形式中，临界波长λG随着电磁辐射射到第一选择性反射层上的入射角而变化。例如，临界波长λG在垂直的辐射入射的情况下相应于0°的入射角是最大的，并随着入射角增加而减小。例如，对具有45°的入射角的辐射的临界波长λG比对具有0°的入射角的临界波长λG小20nm或者更多，优选50nm或者更多。该特性例如可以借助布拉格反射器以对技术人员已知的方式来实现，因此在此不再详细介绍。
临界波长在此优选被选择为使得器件工作时由有源半导体层序列垂直于其主延伸平面发射的第一波长的电磁辐射被第一选择性反射层透射。而以一角度射到第一选择性反射层上的第一波长的电磁辐射被该层反射。特别优选地，垂直入射的电磁辐射的临界波长λG仅仅略微大于第一波长。例如，垂直入射的电磁辐射的临界波长λG比第一波长大5nm至100nm，优选大10nm至50nm并且特别优选大20nm至50nm，其中分别包括端点。
优选地，通过这样的方式，在半导体本体中不吸收如下的第一波长的电磁辐射：该电磁辐射例如在第一和/或第二波长转换材料中、在包封物中等等没有波长转换地朝着半导体本体向回散射并且不是垂直地而是以一角度射到第一选择性反射层上。这样，被散射的第一波长的辐射也有助于器件的发射。此外，由半导体本体发射的第一波长的辐射实际上完全通过第一选择性反射层，其中该辐射垂直或者近似垂直于有源半导体层序列的主延伸平面发射。这样，尤其是在工作时大部分垂直于有源半导体层序列的主延伸平面发射第一波长的电磁辐射的薄膜发光二极管芯片中，有利地进一步提高了器件的辐射产量。
应该指出的是，半导体本体通常并不发射唯一一种第一波长的辐射，而是发射多种不同的第一波长的辐射，这些波长优选被整个第一波长范围包括。第一或者必要时第二波长转换材料将至少唯一一种第一波长的辐射转换成至少另一、第二或者第三波长的辐射。通常，第一或者必要时第二波长转换材料将优选被第一波长范围包括的多种第一波长的辐射转换成多种另外的、第二或者第三波长的辐射，其中多种另外的、第二或者第三波长又优选被另一共同的第二或者第三波长范围包括。
第一或者第二波长转换材料将第一波长的辐射转换成第二或者第三波长的辐射，其方式是波长转换材料吸收该辐射，由此过渡到受激发的状态中并且通过更大波长的辐射的再发射又返回到基态中。
本发明的其他优点和有利的实施形式和改进方案从以下结合图1A至5更为详细阐述的五个实施例中得到。
其中：
图1A示出了根据第一实施例的光电子器件的示意性截面图，
图1B示出了根据第一实施例的半导体本体的发射光谱，
图1C示出了根据第一实施例的波长转换材料的发射光谱，
图1D示出了根据第一实施例的选择性反射层的层序列的表格式的视图，
图1E示出了与根据图1D中的层序列的层厚度有关的折射率分布曲线的视图，
图1F示出了根据图1D和1E的选择性反射层的反射率，
图1G示出了根据第一实施例的一种变形方案的光电子器件的示意性截面图，
图2示出了根据第二实施例的光电子器件的示意性截面图，
图3示出了根据第三实施例的光电子器件的示意性截面图，
图4示出了根据第四实施例的光电子器件的示意性截面图，
图5示出了根据第五实施例的光电子器件的示意性截面图，以及
图6示出了根据第六实施例的光电子器件的示意性截面图。
在这些实施例和附图中，相同或者作用相同的组成部分分别设置有相 同的参考标记。所示的元件和其大小关系基本上不能视为符合比例的，更确切地说，各个元素诸如层厚度或者颗粒大小为了更好的理解和/或更好的可表示性而可以被夸大地示出。
在根据图1A的光电子器件的实施例中，发光二极管芯片(简称“LED芯片”)被用作发射辐射的半导体本体1，该发光二极管芯片包括有源半导体层序列2，该半导体层序列在此基于氮化物-化合物半导体材料。该半导体层序列2在工作时产生在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射，在工作时该辐射是从半导体本体1的前侧3发射的。在图1B中例如可以看到有源半导体层序列2的发射光谱，该有源半导体层序列发射在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射。如在此所示，半导体本体发射的第一波长被第一波长范围21包含，第一波长范围具有在大约460nm处的强度最大值。
半导体本体1在此安装在支承体4(例如电路板)上并且被包封物5包围，该包封物具有第一波长转换材料6和基体材料7。第一波长转换材料6将第一波长的辐射转换成与第一波长不同的第二波长的辐射，该第二波长的辐射在此例如来自黄光光谱范围。
例如YAG:Ce或者其他合适的石榴石发光材料诸如(YaLubGdcTbd)3 (AlxGay)5O12:Ce可以被用作第一波长转换材料6，其将在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射(例如在图1B中所示的那样)转换成在黄光光谱范围中的第二波长的辐射。优选的是，份额a、b、c和d大于或者等于0且小于或者等于1并且符合a+b+c+d＝1。相应地，x和y优选大于或等于0且小于或等于1并且符合x+y＝1。例如Ce掺杂的TbAl石榴石发光材料(Cer-dotierter TbAl-Granatleuchtstoff)和Ce掺杂的(Y，Gd)Al石榴石发光材料(Cer-dofierter(Y，Gd)Al-Granatleuchtstoff)属于这种发光材料。
尤其是发射在黄光波长范围中的辐射的其他合适的发光材料例如是掺杂以稀土金属的正硅酸盐发光材料，诸如A2SiO4:Eu2+，其中A可以代表Sr和/或Ba，以及氮氧化物发光材料如(Ca，Sr，Ba)Si2O2N2:Eu。
替换地或者附加地，发光材料例如可以用于颜色匹配，该发光材料例如将如在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射(如在图1B中所示的那样)转换成在红光光谱范围中的第二波长的辐射。属于这些发光材料的是硫化物系，例如(Sr，Ca)S:Eu和氮化物发光材料如(Sr，Ca)2Si5N8:Eu或者GaAlSiN3:Eu以及化学上与这些系同族的发光材料。
在图1C中示例性地示出了波长转换材料6的发射光谱，该波长转换材料6将在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射转换成在黄光光谱范围中的第二波长的辐射。如在此可看到的那样，第一波长转换材料6发射的第二波长同样被第二波长范围61所包含。该发射光谱的强度最大值在大约560nm。
在根据图1A的实施例中，第一波长转换材料6以颗粒形式存在，这些颗粒优选基本上均匀地分布在包封物5的基体材料7中。
在本上下文中，“基本上均匀地分布”意味着，波长转换材料6的颗粒至少尽可能均匀地分布在基体材料7的部分体积(Teilvolumen)中。尤其是意味着，颗粒尽可能不聚集或者聚集是可忽略的。然而，在此不排除的是，例如由于在基体材料7硬化期间颗粒的沉降而出现颗粒在基体材料7中的布置与理想的均匀分布的微小差别。
第一选择性反射层8在此覆盖朝着发射辐射的前侧3的面以及半导体本体1的侧面1001(参照图1A)。第一选择性反射层8有选择地将第二波长的辐射反射进包封物5中并且对第一波长的辐射是透射性的。
第一选择性反射层8例如包括交替地具有低折射率和高折射率的介电层构成的序列。优选地，材料之间的折射率差较高，由此层数减少。此外，所使用的介电材料优选仅仅略微吸收第一波长的辐射和第二波长的辐射。适于在根据图1A至1C的第一实施例中用作第一选择性反射层8的层序列表格式地列于图1D中
在此，具有折射率为大约1.5的二氧化硅(SiO2)被用作低折射的材料。低折射的SiO2层与高折射的层交替，高折射的层例如包括具有折射率为大约2.9的二氧化钛(TiO2)。代替二氧化钛，例如也可以将氟化镁(MgF2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钽(TaO)或者二氧化铪(HfO2)用作高折射的材料。这些层通常可以被气相淀积(如借助热气相淀积工艺和/或借助通过电子束的气相淀积)、被溅射上或者借助化学方法(化学气相沉积，简称“CVD”，)被施加。
此外，由外延生长的层构成的层序列也可以作为第一选择性反射层8来施加，这些外延生长的层例如交替地由GaN层和AlxGa1-xN层构建，其中通过选择铝份额来合适地调整层之间的折射率差。
作为另外的替换方案，选择性反射层8可以被浇上、离心涂布上或者喷射上。例如，层的序列如SiO2层和TiO2层借助溶胶-凝胶(Sol-Gel) 方法来施加。光刻胶层或者聚合物层、尤其是交替地具有高折射率和低折射率的光刻胶层和/或聚合物层的序列优选被喷射上或者离心涂布上。
图1E示出了第一选择性反射层8的层序列的、与根据图1D的表格式的列表的层厚度有关的折射率。根据图1D和1E的层序列包括十个层对的序列，这些层对分别具有大约1.5的低折射率的SiO2层和具有大约为2.9的高折射率的TiO2层。此外，层序列被构建为使得层对组合成层包，其SiO2层或者TiO2层分别具有相似的厚度。
如从图1D和1E可看到的那样，第一层包包括一至六层，即分别由TiO2层(大约为2.9的高折射率)和SiO2层(大约为1.5的低折射率)构成的三个层对，其中TiO2层的厚度在大约60nm至大约80nm之间，而SiO2层的厚度在大约128nm至大约200nm之间。第二层包包括六至十四层，即即分别由TiO2层和SiO2层构成的四个层对，其中TiO2层的厚度在大约60nm至大约80nm之间，而SiO2层的厚度在大约60nm至大约95nm之间。第三层包类似于第一层包地构建。第三层包包括十五至二十层，其中TiO2层的厚度在大约60nm至大约80nm之间，而SiO2层的厚度在大约110nm至大约200nm之间。因此在第一和第三层包内，层对的低折射的SiO2层与高折射的层TiO2之间的厚度差比在第二层包内明显更大。
根据图1D和1E的层序列选择性地反射辐射，如图1F的反射光谱所示的那样。该层序列的反射率对于波长λ＜λG小，而对于波长λ＞λG为近似100％，其中临界波长λG为500nm。在相对大的波长范围(从大约500nm至大约800nm)上的高折射率尤其是通过上面描述的以不同的厚度构建高折射的层和低折射的层来实现。
在根据图1A的器件中，在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射在有源半导体层序列2中产生，并且除了从半导体本体1的侧面1001发射的辐射的小的份额之外，该第一波长的辐射从半导体本体的前侧辐射出。由于第一选择性反射层8对第一波长的辐射是透射性的，所以该辐射几乎不阻挡地穿过该层并且进入具有第一波长转换材料6的包封物5中。如果第一波长的辐射射到第一波长转换材料6的颗粒上，则该辐射被转换成在黄光光谱范围中的第二波长的辐射。在穿过包封物5时，第一波长的辐射的一部分被转换成第二波长的辐射，而第一波长的辐射的另一部分未被转换地穿过包封物5，使得器件发射具有在CIE标准色表的白色区域中的色度坐标的混合辐射，该混合辐射具有在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射和在 黄光光谱范围中的第二波长的辐射。如果转换过的第二波长的辐射射到第一选择性反射层8上，则该辐射被该层反射回包封物5中并且有利地不被半导体本体1吸收。
在图1G中所示的第一实施例的变形方案中，临界波长λG与入射到第一选择性反射层8上的电磁辐射201、202、601与平面法线19所成的入射角α有关。在此，该波长随着入射角α的增加而下降。
例如，有源半导体层序列2在工作时基本上垂直于有源半导体层序列2的主延伸平面发射第一波长的电磁辐射201，例如具有波长为λ＝470nm的电磁辐射。该辐射201基本上垂直地(α＝0°)射到第一选择性反射层8上，对于垂直射到的辐射，该层的临界波长λG(α＝0°)在此为490nm，使得所发射的辐射201可以穿过第一选择性反射层8。
第一波长的电磁辐射201的一部分被波长转换材料6转换成更长波的电磁辐射601，例如具有在黄光光谱范围中的波长(例如600nm)的电磁辐射。转换过的电磁辐射601被第一选择性反射层8尤其是在所有入射角α之下都被反射。
第一波长的电磁辐射201的另一部分202例如被基体材料7未经波长转换地散射并且以角度α＞0°(例如α＝45°)射到第一选择性反射层8。对于以入射角α＝45°射到第一选择性反射层的辐射的临界波长λG(α＝45°)为例如450nm，使得未被波长转换而散射的辐射202被第一选择性反射层8反射并且有助于器件的发射。
选择性反射层8在图1G中所示的实施例中单片集成到半导体本体1的前侧3中。例如，该选择性反射层交替地由外延生长的GaN层和AlxGa1-xN层构建并且为布拉格反射器。与图1A的实施例相反，半导体本体1的侧面1001没有选择性反射层8。
半导体本体1在此是具有小于或者等于20μm(例如10μm)厚度的薄膜发光二极管芯片。薄膜发光二极管芯片1基于氮化物-化合物半导体材料并且包括n掺杂的层101(在此包括n掺杂的载流子限制层(“confinement layer”))、有源层或者有源半导体层序列2和p掺杂的载流子限制层102。
薄膜发光二极管芯片的制造包括将半导体本体1外延生长到生长衬底上。在此，n掺杂的载流子限制层101与生长衬底相邻并且p掺杂的载流子限制层与生长衬底背离。
薄膜发光二极管芯片1固定在辅助支承体40上。在辅助支承体40与半导体本体1之间，即在与p掺杂的载流子限制层102相邻的半导体本体1的主面上设置有反射层41。与n掺杂的载流子限制层101相邻的生长衬底被薄化或者被去除。
薄膜发光二极管芯片1，例如n掺杂的和/或p掺杂的载流子限制层101、102具有带有混匀结构的面或层，该混匀结构引起光在半导体本体中近似各态历经的分布。半导体本体1具有近似朗伯特辐射特性，使得光的大部分垂直于有源半导体层序列2的主延伸平面被发射。
与根据图1A和1G的实施例不同，在根据图2的实施例的光电子器件中，第一选择性反射层8也从半导体本体1侧向被构建在支承体4的底部上。对第一选择性反射层8可替换地，在半导体本体1侧向也可以构建有在可见光的宽的波长范围中平滑的或者漫射的层，即非选择性反射层9，例如具有金或者银的金属层。
与根据图1A、1G和2的实施例不同，第一波长转换材料6在根据图3的光电子器件中并不包含在包封物5中，而是被第一波长转换层10所包含，该波长转换层与第一选择性反射层8邻接地被施加到半导体本体1的前侧3上。如包封物5一样，第一波长转换层10具有基体材料11，第一波长转换材料6的颗粒优选基本上均匀地分布在该基体材料中。
与根据图1A、1G、2和3的实施例不同，根据图4的光电子器件包括第二波长转换材料12，该波长转换材料将第一波长的辐射的一部分转换成与第一和第二波长不同的第三波长的辐射。第二波长转换材料12在此同样具有颗粒，这些颗粒优选基本上均匀地分布在第二波长转换层14的基体材料13中。第二波长转换层14如在根据图3的实施例中的第一波长转换层10那样邻接第一选择性反射层8地设置，该层被半导体本体1的前侧3所包括。
具有第二波长转换材料12的第二波长转换层14例如可以与半导体本体1结合地使用，半导体本体的有源半导体层序列2产生在紫外区域中的第一波长的电磁辐射。在这样的情况下，第二波长转换材料12优选将半导体本体1的紫外辐射的一部分转换成在黄光光谱范围中的第三波长的辐射，而在紫外光谱范围中的第一波长的辐射的另一部分优选被第一波长转换材料6转换成在蓝光光谱范围中的第二波长的辐射，使得该器件发射由第一波长的辐射和第二波长的辐射构成的、具有色度坐标在CIE标准 色表的白色范围中的混合辐射。优选地，第一波长的辐射通过第一波长转换材料6和第二波长转换材料12在此被完全被转换成第二和第三波长的辐射。
例如包含在第二波长转换层14中(如图4中所示)的第二波长转换材料12也可以与半导体本体1结合来使用，半导体本体1发射在可见的(例如蓝光)光谱范围中的第一波长的辐射。在这样的情况下，在波长转换层14中的第二波长转换材料12将第一波长的辐射的一部分转换成在红光光谱范围中的第三波长的辐射，而在包封物5中的第一波长转换材料10将在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射的另一部分转换成在绿光光谱范围中的第二波长的辐射。在这样的情况下，器件同样发射具有色度坐标在CIE标准色表的白色范围中的混合辐射，该混合辐射包括在蓝光光谱范围中的第一波长的辐射、在绿光光谱范围中的第二波长的辐射和在红光光谱范围中的第三波长的辐射。
与上面所描述的根据图1A、1G、2、3和4的实施例不同，半导体本体1在根据图5的实施例的器件中并不是安装到支承体4上，而是安装到器件壳体的反射槽15中，该反射槽用于射束成形。如在根据图1A的实施例中所示，半导体本体1被包封物5围绕，该包封物包括第一波长转换材料10。此外，根据图5的器件不同于目前所描述的实施例而具有第二选择性反射层16，该层在半导体本体1的辐射方向上设置在第一波长转换材料6之后，并且将由半导体本体1发射的第一波长的辐射中的限定部分反射回包括第一波长转换材料6的包封物5中，并且对转换过的第二波长的辐射是透射性的。如第一选择性反射层8，第二选择性反射层16例如也由交替地具有高折射率和低折射率的介电层构建。随后，在半导体本体1的辐射方向上还将包封物5的基体材料7施加到第二选择性反射层16上。
在根据图6所示的第六实施例的光电子器件中，半导体本体1也安装到器件壳体的反射槽15中，并且通过接合线(未示出)在其前侧3被电接触。由反射槽15形成的凹处被填充以填料5，该填料包封半导体本体。包封物5在此不包含波长转换材料。替换地，可以完全省去包封物5。
替代地，该器件包括覆盖元件18，该覆盖元件具有支承衬底17，例如玻璃衬底。玻璃衬底所具有的厚度例如在10μm到300μm之间，其中包括两端点。在此，厚度为大约100μm。替换地，支承衬底17也可以是薄片，例如是硝化纤维膜。该薄片所具有的厚度优选在0.5μm到10μm之 间，特别优选在1μm到5μm之间，其中分别包括端点。例如，该薄片的厚度为大约2μm。
在玻璃衬底17的朝着半导体本体1的、与半导体本体1的前侧3平行的主面171上设置有第一选择性反射层8。在玻璃衬底17的与半导体本体1背离的、同样与半导体本体1的前侧3平行的主面172上设置有第一波长转换层10。
覆盖元件18与器件壳体、尤其是与反射槽15的边缘和/或包封物5机械稳定地相连，例如粘合。
在半导体本体侧向，在凹处的底面和/或侧面上可以附加地构建另一镜面反射或者漫反射的层，该层将半导体本体发射的辐射朝着器件的前侧，尤其是朝着覆盖元件反射。
第一和第二波长转换材料6、12优选选自以下材料：掺杂以稀土金属的石榴石、掺杂以稀土金属的碱土金属硫化物、掺杂以稀土金属的硫代镓酸盐、掺杂以稀土金属的铝酸盐、掺杂以稀土金属的正硅酸盐、掺杂以稀土金属的氯硅酸盐、掺杂以稀土金属的碱土金属氮化硅、掺杂以稀土金属的氧氮化物和掺杂以稀土金属的氧氮化铝。
适合作为包封物5、第一波长转换层10和第二波长转换层14的基体材料优选是透明的可硬化的聚合物材料，例如环氧树脂、丙烯酸脂、聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚亚安酯、聚氯乙烯、硅树脂、含有聚硅氧烷的聚合物或者这些材料的混合物。
本专利申请要求德国专利申请102005046368.1和102005062514.2的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
本发明并非通过借助实施例的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括任何新的特征以及特征的组合，特别是包含在权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身未明确地在权利要求中或者实施例中被说明。
Claims (38)
1.一种光电子器件，具有：
-半导体本体(1)，其包括有源半导体层序列(2)，该有源半导体层序列适于产生第一波长的电磁辐射，该电磁辐射从半导体本体(1)的前侧
(3)发射，
-在半导体本体(1)的辐射方向上设置在半导体本体(1)之后的第一波长转换材料(6)，该第一波长转换材料(6)将第一波长的辐射转换成与第一波长不同的第二波长的辐射，以及
-在有源半导体层序列(2)与第一波长转换材料(6)之间的第一选择性反射层(8)，该层选择性地反射第二波长的辐射并且对第一波长的辐射是透射性的，
其特征在于，
-该光电子器件包括第二波长转换材料(12)，该第二波长转换材料将第一波长的辐射转换成与第一波长和第二波长不同的第三波长的辐射，
-第一和第二波长转换材料(6，12)设置在两个空间上彼此分开的区域中，并且
-包含第一波长转换材料(6)的区域和包含第二波长转换材料(12)的区域在半导体本体(1)的辐射方向上设置在半导体本体(1)的发射辐射的前侧(3)之后，使得在半导体本体的辐射方向上从半导体本体来看，由相应的波长转换材料(6，12)将第一波长的辐射所转换成的波长分别比关于半导体本体(1)的辐射方向在前面的波长转换材料(6，12)将第一波长的辐射所转换成的波长更短。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)与半导体本体(1)的发射辐射的前侧(3)邻接。
3.根据权利要求1所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)覆盖半导体本体(1)的朝着发射辐射的前侧(3)的主面和/或覆盖半导体本体的侧面。
4.根据权利要求1所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)单片集成到半导体本体(1)的发射辐射的前侧(3)中。
5.根据权利要求1所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)与半导体本体(1)间隔开。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)还在半导体本体(1)侧向被构建。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中在半导体本体(1)侧向构建有另一反射层(9)。
8.根据权利要求7所述的光电子器件，其中所述另一反射层(9)是金属层。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一波长源自紫外光谱范围，而第二波长和第三波长源自可见光谱范围，并且该器件发射混合辐射，该混合辐射具有第二波长和第三波长的辐射。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一波长、第二波长和第三波长源自可见光谱范围，并且该器件发射混合辐射，该混合辐射具有第一波长、第二波长和第三波长的辐射。
11.根据权利要求10所述的光电子器件，其中第一波长源自蓝光光谱范围，第二波长源自红光光谱范围，而第三波长源自绿光光谱范围。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)选择性地反射第二波长和第三波长的辐射，而对第一波长的辐射是透射性的。
13.根据权利要求9所述的光电子器件，其中混合辐射具有在CIE标准色表的白色范围中的色度坐标。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中半导体本体(1)设置有对该器件的辐射是透射性的包封物(5)。
15.根据权利要求14所述的光电子器件，其中包封物(5)包括第一和/或第二波长转换材料(6，12)。
16.根据权利要求15所述的光电子器件，其中包封物(5)具有基体材料(7)，而第一和/或第二波长转换材料(6，12)具有颗粒，这些颗粒嵌入包封物(5)的基体材料(7)中。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一波长转换材料(6)被第一波长转换层(10)包括。
18.根据权利要求17所述的光电子器件，其中第一波长转换层(10)邻接半导体本体(1)地设置。
19.根据权利要求17所述的光电子器件，其中第一波长转换层(10)与半导体本体(1)间隔开。
20.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第二波长转换材料(12)被第二波长转换层(14)包括。
21.根据权利要求20所述的光电子器件，其中第二波长转换层(14)邻接半导体本体(1)地设置。
22.根据权利要求20所述的光电子器件，其中第二波长转换层(14)与半导体本体(1)间隔开。
23.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一波长转换材料(6)被第一波长转换层(10)包括，和/或其中第二波长转换材料(12)被第二波长转换层(14)包括，该光电子器件具有覆盖元件(18)，该覆盖元件包括第一和/或第二波长转换层(10，14)和/或第一选择性反射层(8)。
24.根据权利要求23所述的光电子器件，其中覆盖元件(18)包括支承衬底(17)。
25.根据权利要求24所述的光电子器件，其中支承衬底(17)包含玻璃。
26.根据权利要求24所述的光电子器件，其中支承衬底(17)是薄片。
27.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一波长转换材料(6)被第一波长转换层(10)包括，和/或其中第二波长转换材料(12)被第二波长转换层(14)包括，并且其中第一和/或第二波长转换层(10，14)具有恒定的厚度。
28.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一波长转换材料(6)被第一波长转换层(10)包括，和/或其中第二波长转换材料(12)被第二波长转换层(14)包括，并且其中第一和/或第二波长转换层(10，14)具有基体材料(11，13)，而第一和/或第二波长转换材料(6，12)具有颗粒，这些颗粒嵌入第一/第二波长转换层(10，14)的基体材料(11，13)中。
29.根据权利要求28所述的光电子器件，其中第一和/或第二波长转换材料(6，12)的颗粒均匀分布在第一和/或第二波长转换层(10，14)的基体材料(11，13)中。
30.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中在半导体本体(1)的辐射方向上在第一波长转换材料(6)和第二波长转换材料(12)之后设置有第二选择性反射层(16)，该第二选择性反射层选择性地反射第一波长的辐射中预先给定的份额，而对第一波长的辐射中的另外的部分和第二波长的辐射以及第三波长的辐射是透射性的。
31.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中由有源半导体层序列(2)在工作时发射的电磁辐射的大部分垂直于有源半导体层序列的主延伸平面被发射。
32.根据权利要求31所述的光电子器件，其中半导体本体(1)是发光二极管芯片，其具有厚度为20μm或者更小的半导体本体。
33.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)具有带有介电层的层序列，这些介电层交替地具有高折射率和低折射率。
34.根据权利要求33所述的光电子器件，其中第一选择性反射层(8)具有对波长小于临界波长λG的电磁辐射的高透射率，并且具有对波长大于临界波长λG的电磁辐射的高反射率。
35.根据权利要求34所述的光电子器件，其中临界波长λG随着电磁辐射射到第一选择性反射层(8)的入射角而变化。
36.根据权利要求35所述的光电子器件，其中临界波长λG随着电磁辐射射到第一选择性反射层(8)的入射角增加而减小。
37.根据权利要求36所述的光电子器件，其中对于以45°的入射角射到第一选择性反射层(8)的电磁辐射的临界波长λG比对于垂直射到第一选择性反射层上的电磁辐射的临界波长λG小20nm或者小更多。
38.根据权利要求36所述的光电子器件，其中
-第一选择性反射层(8)透射在有源半导体层序列(2)工作时垂直于有源层序列的主延伸平面朝着半导体本体(1)的前侧(3)发射的、第一波长的电磁辐射，并且
-第一选择性反射层反射以一角度射到第一选择性反射层的、第一波长的电磁辐射。
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