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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung
und insbesondere eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung mit einer Vielzahl
von Halbleiter-Leuchtelementen und einer Wellenlängenumwandlungsschicht,
die ein Wellenlängenumwandlungsmaterial, wie etwa einen
Leuchtstoff, umfasst.
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Stand der Technik
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Aktuelle
Halbleiter-Leuchtelemente, die typische Leuchtdioden umfassen, sind
in Hinblick auf eine hohe Leuchtkraft und eine hohe Helligkeit verbessert
worden. In Verbindung mit dieser Verbesserung können solche
Halbleiter-Leuchtelemente auf ein Gebiet der Beleuchtungsvorrichtungen,
das allgemeine Beleuchtungen, Straßenlampen, Scheinwerfer und
dergleichen umfasst, angewandt werden. Seit den letzten Jahren kann
eine Beleuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von Arten von Halbleiter-Leuchtelementen
umfassen, die unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen
und bei denen die Betriebsbedingungen an entsprechende Halbleiter-Leuchtelemente
angepasst sind, um die Farbtemperatur insgesamt zu variieren.
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Als
ein Beispiel der Struktur einer solchen Beleuchtungsvorrichtung,
welche es ermöglicht, die Farbtemperatur zu variieren,
wird eine Beleuchtungsvorrichtung in der veröffentlichten
japanischen Patentanmeldung 2007-059260 vorgeschlagen.
In dieser Veröffentlichung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung
ein Tageslicht-Halbleiter-Leuchtelement, ein glühlampenfarbenes
Halbleiter-Leuchtelement und ein grünfarbenes Halbleiter-Leuchtelement.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann Licht mit Farbtemperaturen emittieren,
die von tageslichtfarben bis glühlampenfarben (auf der
Schwarzkörperstrahlungskurve) reichen, und zwar mit Hilfe
des grünfarbenen Halbleiter-Leuchtelements. In einer weiteren
Konfiguration werden ein glühlampenfarbenes Halbleiter-Leuchtelement
und ein blaues Halbleiter-Leuchtelement in Kombination verwendet,
um Licht mit Farbtemperaturen zu emittieren, die von tageslichtfarben
bis glühlampenfarben reichen, und zwar sich linear verändernd.
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Zusammenfassung
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Technisches Problem
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Die
in der veröffentlichten
japanischen
Patentanmeldung 2007-059260 offenbarte Beleuchtungsvorrichtung
benötigt jedoch eine komplexe Betriebsvorrichtung, um die
Vielzahl von Halbleiter-Leuchtelementen mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen
zu betreiben. Zusätzlich dazu müssen die emittierten
Lichtfarben von den entsprechenden Halbleiter-Leuchtelementen einheitlich
gemischt sein. Um dies zu erreichen, sollten diese Halbleiter-Leuchtelemente
in einer höheren Dichte integriert sein. Selbst bei der
Integration der Halbleiter-Leuchtelemente mit einer höheren
Dichte ist der Miniaturisierung der Beleuchtungsvorrichtung eine
gewisse Grenze gesetzt. Um die Einheitlichkeit der Farbe mittels
Farbmischens zu erreichen sind weitere optische Komponenten, einschließlich
eines Reflektors, einer Lichtdiffusorplatte, einer Linse und dergleichen,
erforderlich. Jedoch können die Größe
und die Kosten der Beleuchtungsvorrichtung steigen.
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Die
in der veröffentlichten
japanischen
Patentanmeldung 2007-059260 offenbarte Beleuchtungsvorrichtung
betrifft ein System, das eine einfarbige Hilfslichtquelle in Kombination
verwendet. In diesem System können nicht immer alle der
Halbleiter-Leuchtelemente mit maximalem Nennstrom betrieben werden.
Ferner benötigt das System eine einfarbige Hilfslichtquelle
in Kombination. Diese Konfiguration kann seine Kosten erhöhen
und benötigt eine komplexe Steuerschaltung. Ferner kann
die Hilfslichtquelle selbst kein weißes Licht emittieren.
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Lösung des Problems
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser und anderer Probleme
und in Zusammenhang mit dem herkömmlichen Stand der Technik
ersonnen. Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung kann eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung die Farbtemperaturen
ihres Emissionslichtes mit einer einfachen und kleinen Konfiguration
variieren.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung
ihre Halbleiter-Leuchtelemente immer mit ihrem maximalen Nennstrom
antreiben und dementsprechend ein Licht mit hoher Leuchtstärke
auf eine hochgradig effiziente Weise emittieren, während
die Farbtemperatur des Emissionslichts auf eine geeignete Weise
variiert werden kann.
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Die
erfindungsgemäß hergestellte Halbleiter-Leuchtvorrichtung
kann ein Substrat mit einer Elektrodenverdrahtung, eine Vielzahl
von auf der Elektrodenverdrahtung des Substrats angebrachten Halbleiter-Leuchtelementen,
wobei die Halbleiter-Leuchtelemente in zumindest zwei Gruppen gruppiert
sind, und eine Wellenlängenumwandlungsschicht umfassen,
die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil eines von der Vielzahl
der Halbleiter-Leuchtelemente emittierten Lichts wellenlängenumzuwandeln,
wobei die Wellenlängenumwandlungsschicht Bereiche mit unterschiedlicher
Dicke aufweist, welche den jeweiligen zwei oder mehr Gruppen der
Halbleiterleuchtelemente entsprechen und in einem integrierten Körper
ausgebildet sind.
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Die
erfindungsgemäß hergestellte Halbleiter-Leuchtvorrichtung
kann Emissionslicht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen präzise
erzeugen, und zwar mittels Variierens der Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht,
die integral auf den gruppierten Halbleiter-Leuchtelementen ausgebildet
ist. Die gruppierten Halbleiter-Leuchtelemente können separat
betrieben werden, um Beleuchtungslicht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen
zu emittieren, welches präzise einstellbar ist.
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Zusätzlich
kann ohne Probleme eine sehr zuverlässige Halbleiter-Leuchtvorrichtung
bereitgestellt werden aufgrund einer Farbverschiebung von der ursprünglichen
Farbe zum Zeitpunkt des Anschaltens aufgrund der unterschiedlichen
Farbtemperaturabhängigkeiten der entsprechenden Halbleiter-Leuchtelemente.
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Die
erfindungsgemäß hergestellte Halbleiter-Leuchtvorrichtung
kann die gleiche Art von Halbleiter-Leuchtelementen aufweisen. In
einigen herkömmlichen Vorrichtungen treten Probleme im
Zusammenhang mit dem Unterschied in elektrischen Eigenschaften und/oder
optischen Merkmalen individueller Halbleiter-Leuchtelemente auf,
bei welchen sich die Eigenschaften von den ursprünglichen
Eigenschaften zum Zeitpunkt des Anschaltens ausgehend verändern
können. Die erfindungsgemäß hergestellte
Halbleiter-Leuchtvorrichtung kann diese Probleme beseitigen und
eine hohe Zuverlässigkeit bieten.
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Die
in der erfindungsgemäß hergestellten Halbleiter-Leuchtvorrichtung
verwendete Vielzahl der Halbleiter-Leuchtelemente kann die gleiche
Zusammensetzung aufweisen.
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Wenn
die Halbleiter-Leuchtelemente die gleichen Zusammensetzungen aufweisen,
um Licht mit der gleichen Wellenlänge zu emittieren, kann
das abgestrahlte Licht von der Vorrichtung als Ganzes nur mittels
Anpassens der Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht
in den entsprechenden Flächen variiert werden, um benötigte
Farbtemperaturen innerhalb eines gewünschten Farbtemperaturbereichs
leicht bereitzustellen.
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In
der erfindungsgemäß hergestellten Halbleiter-Leuchtvorrichtung
können die Anbringungsbereiche des Substrats zum Anbringen
der Halbleiter-Leuchtelemente darauf in der Dicke variiert werden.
Diese Konfiguration kann die unterschiedlichen Dicken der Wellenlängenumwandlungsschicht über den
Halbleiter-Leuchtelementen bereitstellen.
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Nämlich
kann mittels Variierens der Dicke der Bereiche des Substrats zum
Anbringen der entsprechenden Halbleiter-Leuchtelemente die Dicke der
entsprechenden Bereiche der Wellenlängenumwandlungsschicht
für jede der Gruppen der Halbleiter-Leuchtelemente variiert
werden.
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Das
aus Silizium gebildete Substrat kann mittels anisotroper Ätzung
oder dergleichen bearbeitet werden, um die Dicke der Bereiche des
Substrats zum Anbringen der entsprechenden Halbleiter-Leuchtelemente
zu variieren.
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Wenn
das Substrat aus Keramik besteht, kann es mittels Trockenätzung,
Galvanisierung oder dergleichen bearbeitet werden, um die Dicke
der Bereiche des Substrats zum Anbringen der entsprechenden Halbleiter-Leuchtelemente
zu variieren.
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In
der erfindungsgemäß hergestellten Halbleiter-Leuchtvorrichtung
kann die Vielzahl der Halbleiter-Leuchtelemente elektrisch verbunden
sein, um gruppenweise betrieben zu werden.
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Diese
Konfiguration kann die entsprechenden Gruppen der Halbleiterleuchtelemente
separat betreiben, so dass die Farbtemperatur des Beleuchtungslichts
leicht eingestellt werden kann.
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Vorteilhafte Wirkungen der
Erfindung
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann eine klein bemessene Halbleiter-Leuchtvorrichtung mit
einer einfachen Konfiguration bereitgestellt werden, welche die
Farbtemperatur des abgestrahlten Lichts einfach variieren kann.
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Jedem
Halbleiter-Leuchtelement kann der gemäß der Farbtemperaturspezifizierung
entsprechende Bereich der Wellenlängenumwandlungsschicht
darüber bereitgestellt werden. Dementsprechend können
die Halbleiter-Leuchtelemente unter einem maximalem Nennstrom betrieben
werden und eine hochgradig effi ziente Halbleiter-Leuchtvorrichtung
bereitstellen, die es ermöglicht, Licht mit einer größeren
Menge Licht zu emittieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese
und andere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf
die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, wobei:
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1 eine
Querschnittsansicht ist, welche die Konfiguration einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung einer
ersten beispielhaften erfindungsgemäß hergestellten
Ausführungsform zeigt;
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2 ein
schematisches Schaltungsdiagramm ist, das von der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
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3 eine
Querschnittsansicht ist, welche die Konfiguration einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung eines
Anwendungsbeispiels der ersten beispielhaften Ausführungsform
zeigt;
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4 ein
Chromatizitätsdiagramm ist, das den Abstrahlbereich von
weißem Licht von der Halbleiter-Leuchtvorrichtung der ersten
beispielhaften Ausführungsform zeigt;
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5A bis 5C Graphen
des Emissionsspektrums von beiden Enden und dazwischen aufgetragenen
Daten sind, wie im Chromatizitätsdiagramm von 4 gezeigt;
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6 ein
Graph ist, der die relativen Lichtmengen der Halbleiter-Leuchtvorrichtung
der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt;
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7 eine
Querschnittsansicht ist, welche die Konfiguration einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung einer
zweiten beispielhaften erfindungsgemäß hergestellten
Ausführungsform zeigt;
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8 eine
Querschnittsansicht ist, welche die Konfiguration einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung eines
Anwendungsbeispiels der zweiten beispielhaften Ausführungsform
zeigt;
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9 ein
Graph ist, der den Bereich von weißem Licht für
eine Beleuchtung zeigt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachstehend
wird nun eine Beschreibung von erfindungsgemäßen
Halbleiter-Leuchtvorrichtungen unter Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen gemäß beispielhafter Ausführungsformen
gegeben. Es sollte beachtet werden, dass beide Grenzwerte des numerischen
Bereichs enthalten sind (einschließlich des maximalen und
des minimalen Werts des Bereichs).
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[Erste beispielhafte Ausführungsform]
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Es
wird nun eine Beschreibung einer ersten beispielhaften Ausführungsform
unter Bezug auf 1 gegeben, welche eine Querschnittsansicht
einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 ist.
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Die
Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 kann ein Substrat 12,
eine auf dem Substrat 12 ausgebildete Elektrodenverdrahtung 14,
eine Vielzahl von (im gezeigten Beispiel vier) auf der Elektrodenverdrahtung 14 angebrachten
Halbleiter-Leuchtelementen 16a, 16b, 16c und 16d und
eine Wellenlängenumwandlungsschicht 18 umfassen,
welche die Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d umgibt. Es
ist zu beachten, dass die Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d nachfolgend
kollektiv als ”Halbleiter-Leuchtelement 16” bezeichnet
werden mögen.
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Das
Substrat 12 kann aus Silizium, Keramik, einer mit einem
Schaltungsmuster versehenen Metallplatte oder dergleichen bestehen.
Das Substrat 12 weist eine vorbestimmte Stufe h auf, die
zuvor mittels einer Mikrobearbeitungstechnik oder dergleichen an den
Anbringungsbereichen bzw. Montagebereichen für das Halbleiter-Leuchtelement 16 ausgebildet
werden. Wenn das Substrat aus Silizium besteht, kann die Stufe h
mittels einer anisotroper Ätztechnik oder mittels einer
selektiven Nassätzbearbeitung gebildet werden, um es im
Mikrobereich an dem Substrat 12 auszubilden. Wenn das Substrat
aus Keramik oder einer Metallplatte besteht, mag ein Grundmaterial oder
ein Elektrodenmaterial mittels Gasphasentrockenätzung oder
Galvanisierung bearbeitet werden, um die Stufe h am Substrat 12 auszubilden.
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Die
Elektrodenverdrahtung 14 kann an den Anbringungsbereichen
für das Halbleiter-Leuchtelement 16 ausgebildet
werden. Diese Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d werden
an den entsprechenden Anbringungsbereichen des Substrats 12 angebracht,
um mit der Elektrodenverdrahtung 14 verbunden zu werden.
Die Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d werden über
die Elektrodenverdrahtung 14 mit einem Betriebsstrom von
extern versorgt, um betrieben zu werden. Die Elektrodenverdrahtung 14 kann
ein geeignetes Muster gemäß Anordnung, Anzahl
usw. des anzubringenden Halbleiter-Leuchtelements 16 aufweisen.
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In
der vorliegenden Ausführungsform unterscheiden sich, wenn
die Stufe h am Substrat 12 ausgebildet wird, der Abstand
von der rückwärtigen Oberfläche des Substrats 12 zu
der Oberfläche der Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16c und
derjenige von der rückwärtigen Oberfläche
des Substrats 12 zu der Oberfläche der Halbleiter-Leuchtelemente 16b, 16d voneinander
um den Höhenunterschied h, welcher der Stufenhöhe
h auf dem Substrat 12 entspricht. Dieser Höhenunterschied
h für die Halbleiter-Leuchtelemente 16 kann mittels
der Feinmikrobearbeitung der Stufe h auf dem Substrat 12 präzise
gesteuert werden.
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In
diesem Fall können die Vielzahl von Hableiter-Leuchtelementen 16a, 16b, 16c und 16d,
die auf dem Substrat 12 angebracht sind, gruppiert werden.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform sind
sie gemäß der Höhe von der rückwärtigen Oberfläche
des Substrats 12 zu der oberen Oberfläche des
Elements 16 gruppiert. Die Halbleiter-Leuchtelemente 16a und 16c werden
an den Anbringungsbereichen ohne Stufe angebracht und dementsprechend
bilden sie eine erste Halbleiter-Leuchtelementgruppe. Andererseits
werden die Halbleiter-Leuchtelemente 16b und 16d an
den Anbringungsbereichen mit der Stufe h angebracht und dementsprechend
bilden sie eine zweite Halbleiter-Leuchtelementgruppe.
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Das
Halbleiter-Leuchtelement 16 kann eine blaue LED sein und
aus einem Elementsubstrat und einer epitaktischen Halbleiterschicht
mit einem Lichtemissionsbereich bestehen, der auf dem Elementsubstrat
ausgebildet ist. Die epitaktische Halbleiterschicht kann aus einem
geeigneten Halbleitermaterial, wie etwa einem GaN-basierten Material,
einem AlGalnP-basierten Material oder dergleichen, gebildet sein,
und zwar gemäß dem Farbton des Emissionslichts.
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Die
Wellenlängenumwandlungsschicht 18 besteht beispielsweise
aus einem Wellenlängenumwandlungsmaterial und einem thermoplastischen Harz
oder dergleichen. Das Wellenlängenumwandlungsmaterial kann
mittels Lichts, das von dem Halbleiter-Leuchtelement 16 emittiert
wird, angeregt werden und Licht mit anderer Wellenlänge
als derjenigen von dem Halbleiter-Leuchtelement 16 emittierten Licht
emittieren, wodurch das Licht wellenlängenumgewandelt wird.
Das Wellenlängenumwandlungsmaterial mag ein Leuchtstoff
sein, dessen Art unter Berücksichtigung der benötigten
Farbe oder Lichtmenge der gewünschten Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 bestimmt
werden kann. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, dass die Vorrichtung
eine blaue LED verwendet, umfassen Beispiele des Leuchtstoffes YAG-Leuchtstoffe,
Silikatleuchtstoffe und dergleichen.
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Die
Wellenlängenumwandlungsschicht 18 kann mittels
Beschichtens, Druckens oder dergleichen gebildet werden. Beispielsweise
wird ein wärmeaushärtbares Harz, das einen Leuchtstoff
enthält, mittels einer Schablonenaufbringung über
die gesamten Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d aufgeschichtet,
um sie zu integrieren. Dementsprechend wird die Wellenlängenumwandlungsschicht 18,
welche die im Wesentlichen gleiche Zusammensetzung aufweist, so
gebildet, dass sie die Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d umgibt.
Ferner ist die Höhe von der rückwärtigen Oberfläche
des Substrats 12 zu der oberen Oberfläche der
Wellenlängenumwandlungsschicht 18 konstant. Da
die Stufe h zuvor auf dem Substrat 12 ausgebildet wird,
ist die Dicke des Bereichs der Wellenlängenumwandlungsschicht über
der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe, die am höheren
Bereich angebracht ist, dünner als diejenige über
der ersten Hableiter-Leuchtelementgruppe, und zwar um die Dicke
der Stufe h.
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Die
Wellenlängenumwandlungsschicht 18 kann mittels
Injizierens eines Leuchtstoff enthaltenden Harzes in eine Wand,
die um die Vielzahl der Halbleiter-Leuchtelementgruppen herum vorgesehen
ist, und mittels Aushärtens gebildet werden. In diesen
Fällen kann die Wellenlängenumwandlungsschicht
mit unterschiedlichen Dickenbereichen mittels einer einzelnen Harzaufbringung
oder eines Injektionsprozesses ausgebildet werden.
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Nun
wird eine Beschreibung der Lichtemission von der so konfigurierten
Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 gegeben. Das Licht, das
von der ersten Halbleiter-Leuchtelementgruppe emittiert wird, ist
gemischtes Licht, welches sich aus Licht zusammensetzt, das von
den Halbleiter-Leuchtelementen 16a und 16c emittiert
wird, und aus dem Licht, das mittels der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 wellenlängenumgewandelt
wird. Das Licht, das von der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe
emittiert wird, ist gemischtes Licht, welches sich aus Licht zusammensetzt,
das von den Halbleiter-Leuchtelementen 16b und 16d emittiert
wird, und aus dem Licht, das mittels der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 wellenlängenumgewandelt
wird.
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Die
Kombination des Halbleiter-Leuchtelements 16 und der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 setzt
sich aus einer blauen LED und einem YAG- oder silikatbasierten Leuchtstoff
zusammen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
In der vorliegenden Erfindung umgibt die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 die
Halbleiter-Leuchtelemente 16. Ein lichtdurchlässiges
Harz kann zwischen der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 und
dem Halbleiter-Leuchtelement 16 bereitgestellt werden.
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Die
Wellenlängenumwandlungsschicht 18 ist integral
so ausgebildet, dass sie eine einheitliche Dichteverteilung von
Leuchtstoff aufweist. Die einheitliche Dichteverteilung von Leuchtstoff
kann mittels einer Dickeneinstellung zu einer leichten Einstellung
der Farbtemperatur beitragen. In der vorliegenden beispielhaften
Ausführungsform unterscheidet sich das Licht von der ersten
Halbleiter-Leuchtelementgruppe von demjenigen der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe
in der Farbtemperatur, und zwar aufgrund des Dickenunterschieds
h der Wellenlängenumwandlungsschicht 18. Die Dicke
der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 über
der ersten Halbleiter-Leuchtelementgruppe ist dicker als diejenige über
der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe. Dementsprechend wird
das Licht von der ersten Halbleiter-Leuchtelementgruppe stärker
von der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 wellenlängenumgewandelt,
was zu dem Emissionslicht führt, bei dem die Farbtemperatur
in die Nähe der Farbtemperatur von dem Wellenlängenumwandlungsmaterial
verschoben ist.
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Der
Dickenunterschied h zwischen den Bereichen der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 kann
mittels der entsprechenden Stufe h des Substrats 12, die
mittels Mikrobearbeitung präzise ausgebildet wird, präzise
gesteuert werden. Die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 über
den Halbleiter-Leuchtelementen, die zu derselben Gruppe gehören,
kann die gleiche gewünschte Lichtfarbe emittieren. Dementsprechend
kann die vorliegende Erfindung bereichsweise die Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 über
den gruppierten Halbleiter-Leuchtelementen variieren, um entsprechend Emissionslichtfarben
mit unterschiedlichen Farbtemperaturen präzise zu erzeugen.
Somit kann die Konfiguration der Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 mit
erleichterter Farbtemperatureinstellung erreicht werden.
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Die
Wellenlängenumwandlungsschicht 18 kann mit Leichtigkeit
integral hergestellt werden, was die Herstellung der farbtemperaturvariablen
Halbleiter-Leuchtvorrichtung erleichtert. Obwohl die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 Bereiche
mit unterschiedlichen Dicken aufweist, kann sie in einem einzigen
Schritt hergestellt werden. Dementsprechend kann die farbtemperaturvariable
Halbleiter-Leuchtvorrichtung mit weniger Schritten bereitgestellt
werden.
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Ferner
sind, da die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 mit
Bereichen mit unterschiedlicher Dicke auf einem einzigen Substrat
ausgebildet werden kann, auch weniger Schritte für den
Zwecke ausreichend. Da die präzise Farbsteuerung mit der
integrierten Wellenlängenumwandlungsschicht 18 erreicht
werden kann, kann der Abstand zwischen den Halbleiter-Leuchtelementen
verringert werden. Diese Konfiguration kann die Farbmischung einheitlicher erleichtern.
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2 zeigt
die Schaltungskonfiguration der farbtemperaturvariablen Halbleiter-Leuchtvorrichtung
gemäß der in 1 gezeigten
ersten beispielhaften Ausführungsform. Die Halbleiter-Leuchtelemente 16a und 16c sind
auf dem einzelnen Substrat angebracht, um mit der Elektrodenverdrahtung 14a elektrisch
in Reihe geschaltet zu sein. Die Halbleiter-Leuchtelemente 16b und 16d sind
auf dem einzelnen Substrats angebracht, um mit der Elektrodenverdrahtung 14b elektrisch
in Reihe geschaltet zu sein. Die Elektrodenverdrahtungen 14a und 14b sind mit
Gleichstromquellen 20a bzw. 20b verbunden. Diese
Schaltungskonfiguration kann dazu verwendet werden, die Halbleiter-Leuchtelemente 16a und 16c sowie 16b und 16d separat
zu betreiben.
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Die
Gleichstromquellen 20a und 20b sind mit einem
Controller 22 elektrisch verbunden. Der Controller 22 kann
die Gesamtversorgungsleistung zu den Halbleiter-Leuchtelementen 16a, 16b, 16c und 16d steuern
und auch die Lichtmengen für die Halbleiter-Leuchtelemente 16a und 16b sowie 16c und 16c steuern.
Dementsprechend kann die Farbtemperatur der Halbleiter-Leuchtvorrichtung
leicht variiert werden, während die Gesamtversorgungsleistung
zu der Halbleiter-Leuchtvorrichtung konstant gehalten werden kann.
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Den
Halbleiter-Leuchtelementen
16a,
16b,
16c und
16d können
nämlich die entsprechenden Bereiche der Wellenlängenumwandlungsschicht
mit entsprechenden Dicken gemäß der benötigten
Farbtemperatur bereitgestellt werden, und die Halbleiter-Leuchtvorrichtung
kann mit dem maximalen Nennstrom betrieben werden. Dementsprechend kann
die erfindungsgemäß hergestellte Halbleiter-Leuchtvorrichtung
im Vergleich zu dem System, das ein einfarbiges Leuchtelement verwendet,
wie in der veröffentlichten
japanischen Patentanmeldung 2007-059260 offenbart,
mit hohen Lichtmengen und hohem Wirkungsgrad erreicht werden.
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3 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Modifikation der ersten beispielhaften
Ausführungsform zeigt. Diese Modifikation weist die gleiche Konfiguration
auf wie diejenige der ersten beispielhaften Ausführungsform,
abgesehen davon, dass eine Vielzahl von Stufen h1 und h2 bereitgestellt
wird. Die Stufen h1 und h2 des Substrats 12 können
auf dem Substrat 12 mittels Hinzufügens des gleichen Prozessschrittes
wie bei der ersten beispielhaften Ausführungsform ausgebildet
werden, wodurch eine Vielzahl von Stufen gebildet wird. Auf diese
Weise können die Dickenunterschiede h1 und h2 der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 entsprechend
zu den präzise ausgearbeiteten Stufen h1 und h2 eingestellt
werden.
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In
der Modifikation kann die Vielzahl von Halbleiter-Leuchtelementen 16a, 16b und 16c,
die auf dem Substrat 12 angebracht sind, in drei gruppiert
werden. In diesem Fall stellt das Halbleiter-Leuchtelement 16a die
erste Halbleiter-Leuchtelementgruppe dar, das Halbleiter-Leuchtelement 16b stellt
die zweite Halbleiter-Leuchtelementgruppe dar und das Halbleiter-Leuchtelement 16c stellt
die dritte Halbleiter-Leuchtelementgruppe dar. Die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 weist
Flächen mit unterschiedlicher Dicke über den entsprechenden
Gruppen auf, welche die jeweiligen Halbleiter-Leuchtelemente 16a bis 16c umfassen.
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In
dieser Modifikation kann die Vielzahl von Stufen h (h1 und h2) verschiedene
Lichtfarben erzeugen, einschließlich der Emissionslichtfarbe
wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform gezeigt
und der Kombination der Zwischenemissionslichtfarbenkomponenten.
Ferner kann diese Modifikation die Farbungleichheit verbessern,
wenn alle Halbleiter-Leuchtelemente 16 angeschaltet sind.
In dieser Modifikation können beispielsweise die benachbarten
Halbleiter-Leuchtelemente 16a und 16b von dreien
angeschaltet sein, damit die gesamte Halbleiter-Leuchtvorrichtung
Licht mit einer Zwischenfarbe emittiert. Gemäß der
verwendeten Umgebung, der verbrauchten Leistung und dergleichen
kann die Kombination geeignet gewählt werden. Je höher
die Zahl der bereitgestellten Stufen h ist, die auf dem Substrat 12 ausgebildet
sind, desto eher kann die Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 eine
geringe Uneinheitlichkeit der Farbe erreichen.
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Es
wird nun eine Beschreibung des Falls gegeben, bei dem die Vorrichtung,
welche die Konfiguration von 1 aufweist,
verwendet werden kann, um weißes Licht (pseudo-weißes
Licht) zu emittieren. GaN-basierte Leuchtdioden werden verwendet,
um auf einem Substrat 12 als das Halbleiter-Leuchtelement 16 angebracht
zu werden, wobei die Dioden die gleiche Zusammensetzung, die gleiche
Form und die gleiche Größe aufweisen und das gleiche
blaue Licht emittieren. Als das Wellenlängenumwandlungsmaterial,
das in der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 enthalten
ist, wird YAG-basierter Leuchtstoff verwendet. Der YAG-basierte
Leuchtstoff kann durch das blaue Licht von der blauen LED dazu angeregt
werden, gelbes Licht zu emittieren.
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In
diesem Fall ist das Licht von der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe
mit der dünnen Wellenlängenumwandlungsschicht 18 ein
bläulich-weißes Licht mit einer Farbtemperatur
von ungefähr 7000 K. Andererseits ist das Licht von der
Halbleiter-Leuchtelementgruppe mit der dicken Wellenlängenumwandlungsschicht 18 ein
gelblich-weißes Licht mit einer Farbtemperatur von ungefähr
3000 K. Dies kann sich proportional zur Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 mit
einer einheitlichen Konzentrationsverteilung des Leuchtstoffes (oder
proportional zu der Leuchtstoffmenge in der Lichtemissionsrichtung über dem
Halbleiter-Leuchtelement 16) ergeben. Insbesondere ist
das Licht von der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe zu der
ursprünglichen Farbe des Lichts von dem Halbleiter-Leuchtelement
hin verschoben, und zwar aufgrund des geringen Anteils des Lichts,
das mittels der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 wellenlängenumgewandelt wird.
Das Licht von der ersten Halbleiter-Leuchtelementgruppe ist zu der
Farbe des Lichts von dem Wellenlängenumwandlungsmaterial
hin verschoben, und zwar aufgrund des hohen Anteils des Lichts,
das mittels der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 wellenlängenumgewandelt
wird.
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Da
die Stufe h auf dem Substrat 12 präzise ausgebildet
werden kann, können die Wellenlängenumwandlungsschichtbereiche,
die über den Haibleiter-Leuchtelementen ausgebildet sind,
welche auf der gleichen Höhe angebracht sind, miteinander
einheitliches Licht emittieren.
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Die
Dicke der Bereiche der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 kann
beispielsweise in Übereinstimmung mit der Größe
des verwendeten Halbleiter-Leuchtelements bestimmt werden. Wenn
beispielsweise das Halbleiter-Leuchtelement 16 eine äußere
Seite von 1 mm und eine Dicke von 100 μm aufweist, kann
die Dicke des Bereichs der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 über
der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe im Bereich von 20 μm
bis 200 μm (ungefähr 1/50 bis 1/5 der Größe
der Elementseite) liegen. Die Dicke des Bereichs der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 über
der ersten Halbleiter-Leuchtelementgruppe kann im Bereich von 50 μm
bis 500 μm (ungefähr 1/20 bis 1/2 der Größe
der Elementseite) liegen. Auf diese Weise kann das Licht, das von
der Halbleiter-Leuchtvorrichtung insgesamt emittiert wird, in dem
weißen Farbbereich für eine Beleuchtung auf der
Schwarzkörperstrahlungskurve eingestellt werden.
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Wenn
die Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 weniger
als 1/5 der Größe der Elementseite beträgt,
ist die blaue Komponente zu stark wenn die Elementgruppe angeschaltet
ist. In diesem Fall mag das emittierte Licht für eine Beleuchtung
außerhalb des weißen Farbbereichs liegen.
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Wenn
die Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 mehr
als 1/2 der Größe der Elementseite beträgt,
ist die gelbe Komponente zu stark wenn die Elementgruppe angeschaltet
ist. In diesem Fall mag das emittierte Licht für eine Beleuchtung
ebenfalls außerhalb des weißen Farbbereichs liegen.
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Angesichts
dessen und unter Berücksichtigung des weißen Farbbereichs
für eine Beleuchtung kann die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 im Bereich
von 1/50 bis 1/2 der Größe der Elementseite liegen.
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9 zeigt
den Bereich von weißem Licht für eine Beleuchtung.
Wie in 9 gezeigt, werden die bestimmten weißen
Farbbereiche für entsprechende Beleuchtungszwecke gemäß beispielsweise
JIS 29112 für die Klassifizierung von Leuchtstofflampen mittels
Chromatizität und SEA für weißes Licht
von Fahrzeugscheinwerfern bestimmt. Die erfindungsgemäß hergestellte
Halbleiter-Leuchtvorrichtung kann unterschiedliche Emissionslichtfarben
mit geeigneter Farbtemperatur erreichen, die zur Verwendung in den
bestimmten weißen Farbbereichen geeignet sind, und zwar
lediglich mittels Einstellens der Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht.
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4 zeigt
verschiedene Beispiele einer Variation der Emissionslichtfarbe unter
den folgenden Bedingungen.
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Die
Halbleiter-Leuchtvorrichtung mit der Konfiguration von 1 ist
so ausgestaltet, dass die Stufe h 200 μm hoch ist, die
Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht über
der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe 100 μm beträgt,
die Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht über
der ersten Halbleiter-Leuchtelementgruppe 300 μm beträgt und
das Halbleiter-Leuchtelement eine äußere Seite von
1 mm und eine Dicke von 100 μm aufweist.
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Für
den Fall, dass die der Halbleiter-Leuchtvorrichtung zuzuführende
Gesamtleistungsmenge konstant gehalten wird und der an jede der
ersten und zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe anzulegende Strom
geändert wird, ist die Variation in der Emissionslichtfarbe
im Graph von 4 aufgetragen.
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Die
untere linke Auftragung stellt den Wert dar, wenn nur die zweite
Halbleiter-Leuchtelementgruppe angeschaltet ist. Die obere rechte
Auftragung stellt den Wert dar, wenn nur die erste Halbleiter-Leuchtelementgruppe
angeschaltet ist. Dann wird das Stromanlegungsverhältnis
zwischen der ersten und der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe
von 0:100 (%) bis 100:0 (%) variiert. Als ein Ergebnis können
die Auftragungen der Emissionslichtfarbe von der Halbleiter-Leuchtvorrichtung
die untere linke Auftragung mit der oberen rechten Auftragung verbinden,
wie in 4 gezeigt.
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Dementsprechend
kann, falls die Dicke der Wellenlängenumwandlungsschicht
so eingestellt wird, dass die Werte der unteren linken Auftragung und
der oberen rechten Auftragung in dem bestimmten weißen
Farbbereich für eine Beleuchtung erhalten werden, die Emissionslichtfarbe
(Farbtemperatur) von der Halbleiter-Leuchtvorrichtung im weißen Farbbereich
für eine Beleuchtung frei variiert werden, und zwar lediglich
mittels Variierens des an jede Halbleiter-Leuchtelementgruppe angelegten
Stroms.
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Die 5A bis 5C zeigen
Emissionsspektren des Lichts, dessen Farbe an einer oberen rechten
Position, einer unteren linken Position oder einer mittleren Position
dazwischen aufgetragen werden. Insbesondere ist 5A das
Emissionsspektrum für das Licht an der unteren linken Auftragung, 5B ist
das Emissionsspektrum für das Licht an der mittleren Auftragung
und 5C ist das Emissionsspektrum für das
Licht an der oberen rechten Auftragung.
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Wie
in 5A gezeigt, zeigt der Graph für das Licht
an der unteren linken Auftragung, dass die relative Intensität
von blauem Licht von dem Halbleiter-Leuchtelement höher
ist als diejenige von gelbem Licht von der Wellenlängenumwandlungsschicht (Material).
In diesem Fall ist es somit klar, dass die gesamte Halbleiter-Leuchtvorrichtung
bläulich-weißes Licht emittieren kann.
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Wie
in 5C gezeigt, zeigt der Graph für das Licht
an der oberen rechten Auftragung, dass die relative Intensität
von blauem Licht von dem Halbleiter-Leuchtelement niedriger ist
als diejenige von gelbem Licht von der Wellenlängenumwandlungsschicht
(Material). Dementsprechend kann die gesamte Halbleiter-Leuchtvorrichtung
gelblich-weißes Licht emittieren.
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Wie
in 5B gezeigt, zeigt der Graph für das Licht
an der mittleren Auftragung, dass die relative Intensität
von blauem Licht von dem Halbleiter-Leuchtelement fast die gleiche
ist wie diejenige von gelbem Licht von der Wellenlängenumwandlungsschicht
(Material). In diesem Fall ist es somit klar, dass die gesamte Halbleiter-Leuchtvorrichtung pseudo-weißes
Licht ohne eine Farbverschiebung emittieren kann.
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6 zeigt
die Lichtmengenvariation der gesamten Halbleiter-Leuchtvorrichtung,
wenn eine konstante Leistung zugeführt wird, während
das Verhältnis des Stroms, der an die erste und die zweite
Halbleiter-Leuchtelementgruppe angelegt wird, von 100:0 bis 0:100
variiert, und zwar unter den gleichen Bedingungen, wie den unter
Bezug auf 4 beschriebenen. Wie in 6 gezeigt,
kann die erfindungsgemäße Halbleiter-Leuchtvorrichtung
selbst bei dem variierten Stromverhältnis Licht emittieren,
ohne dass die Lichtmenge verringert ist. In diesem Fall weisen die verwendeten
Halbleiter-Leuchtelemente die gleichen Komponenten auf und werden
mit dem gleichen Betriebsstrom betrieben. Dementsprechend kann das Betriebsverfahren
vereinfacht werden. Da die Lichtmenge von der Halbleiter-Leuchtvorrichtung
insgesamt nicht verändert wird, wird die maximale Menge von
Licht, das von jedem Halbleiter-Leuchtelement emittiert wird, für
eine Beleuchtung voll ausgenutzt.
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[Zweite beispielhafte Ausführungsform]
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Eine
zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird nun unter Bezug auf 7 beschrieben, welche eine Querschnittsansicht der
Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 ist. Es ist zu beachten,
dass die gleichen Kompo nenten wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform
mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind und die Beschreibungen
dazu entsprechend weggelassen wurden.
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Die
Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 kann ein Substrat 12,
eine auf dem Substrat 12 ausgebildete Elektrodenverdrahtung 14,
eine Vielzahl von (im gezeigten Beispiel vier) auf der Elektrodenverdrahtung 14 angebrachten
Halbleiter-Leuchtelementen 16a, 16b, 16c und 16d und
eine Wellenlängenumwandlungsschicht 18 umfassen,
welche die Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d umgibt.
In der Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 der zweiten beispielhaften
Ausführungsform unterscheidet sich die Konfiguration zum
Bilden des Unterschieds h der Bereiche der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 von der
ersten beispielhaften Ausführungsform. In der zweiten beispielhaften
Ausführungsform wird die Stufe h nicht auf dem Substrat 12 gebildet,
sondern an der äußersten Oberfläche der
Wellenlängenumwandlungsschicht 18.
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In
der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann wie
in der ersten beispielhaften Ausführungsform die Vielzahl
von Hableiter-Leuchtelementen 16a, 16b, 16c und 16d,
die auf dem Substrat 12 angebracht sind, in zwei oder mehr
Gruppen gruppiert werden. Die Halbleiter-Leuchtelemente 16a und 16c können
eine erste Halbleiter-Leuchtelementgruppe bilden, und die Halbleiter-Leuchtelemente 16b und 16d können
eine zweite Halbleiter-Leuchtelementgruppe bilden. In der vorliegenden
beispielhaften Ausführungsform unterscheiden sich die Dicken der
Bereiche der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 entsprechend
der ersten und der zweiten Halbleiter-Leuchtelementgruppe, die auf
der gleichen Ebene bereitgestellt werden, voneinander. Daher werden die
Stufen h an der äußersten Oberfläche
der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 entsprechend
der Elementgruppen gebildet.
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Nun
wird eine Beschreibung darüber gegeben, wie die Stufen
h an der äußersten Oberfläche der Wellenlängenumwandlungsschicht 18 gebildet werden.
Beispielsweise wird zuerst ein wärmeaushärtbares
Harz, das einen bestimmten Leuchtstoff enthält, mittels
Schablonendrucks aufgebracht, um eine Wellenlän genumwandlungsschicht
zu bilden, welche die Umgebungsfläche der Elemente 16a bis 16c bedeckt.
Die gebildete Wellenlängenumwandlungsschicht weist einen
im Wesentlichen rechteckigen Festkörper auf, und dementsprechend
ist der Abstand von der rückwärtigen Oberfläche
des Substrats 12 zu der oberen Oberfläche der
Wellenlängenumwandlungsschicht konstant.
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Dann
wird eine zweite Schablonenbedruckung nur auf die Halbleiter-Leuchtelemente 16b und 16d aufgebracht,
welche die zweite Gruppe bilden, um die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 mit
den Stufen h darauf zu bilden. Diese Konfiguration kann die Herstellungskosten
für das Substrat 12 verringern, da das Substrat 12 nicht
zum Bilden von Stufen bearbeitet werden muss.
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Es
ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht nur den Schablonendruck
zu verwenden braucht, sondern auch ähnliche Verfahren zum Bilden
der Stufen h auf der Oberfläche der Wellenlängenumwandlungsschicht.
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8 ist
eine Querschnittsansicht, welche die Konfiguration einer Modifikation
der zweiten beispielhaften Ausführungsform zeigt. Die Modifikation ist
geeignet für ein Halbleiter-Leuchtelement 16,
das ein opakes Substrat und eine epitaktische Halbleiterschicht
mit einem Lichtemissionsbereich aufweist, der auf dem opaken Substrat
ausgebildet oder angeordnet ist.
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In
dieser Modifikation kann die Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 ein
Substrat 12, eine auf dem Substrat 12 ausgebildete
Elektrodenverdrahtung 14, eine Vielzahl von (im gezeigten
Beispiel vier) auf der Elektrodenverdrahtung 14 angebrachten Halbleiter-Leuchtelementen 16a, 16b, 16c und 16d und
eine Wellenlängenumwandlungsschicht 18 umfassen,
welche auf den oberen Oberflächen der Halbleiter-Leuchtelemente 16a, 16b, 16c und 16d ausgebildet
ist.
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In
diesem Fall kann das Licht, das von dem Lichtemissionsbereich emittiert
wird, nicht durch das opake Substrat laufen. Dementsprechend kann
Licht nicht von den Seitenflächen des Halbleiter-Leuchtelements 16 emittiert
werden, was bedeutet, dass die Seitenfläche keine Leuchtoberfläche
sein kann.
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Daher
ist es nicht notwendig, dass die Wellenlängenumwandlungsschicht 18 das
Halbleiter-Leuchtelement 16 einschließlich der
Seitenfläche vollständig bedeckt. In dem in 8 gezeigten
Beispiel kann die Halbleiter-Leuchtvorrichtung 10 Licht mit
variablen Farbtemperaturen emittieren, und zwar mittels Bedecken
nur der oberen Oberfläche des Halbleiter-Leuchtelements 16.
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Die
Wellenlängenumwandlungsschicht 18 kann separat
gegossen werden, um im Voraus eine präzise Stufe h aufzuweisen.
Die vorgefertigte Wellenlängenumwandlungsschicht 18 kann
zu den Elementgruppen positioniert werden, um die Herstellungsschritte
zu vereinfachen.
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Es
wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen
und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden
können, ohne vom Geist oder Umfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Somit ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
die Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung abdeckt,
vorausgesetzt dass sie im Umfang der beiliegenden Ansprüche
und ihrer Äquivalente liegen. Jegliche oben beschriebenen
Bezüge auf den Stand der Technik sind durch Bezugnahme
vollinhaltlich hierin eingeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-059260 [0003, 0004, 0005, 0051]