JP2019129323A - オプトエレクトロニクスデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】赤色成分としてカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体を含み、Ｒａは少なくとも８０であり、Ｒ９値は少なくとも７５であるオプトエレクトロニクスデバイスを提供する。【解決手段】オプトエレクトロニクスデバイス１００は、青色スペクトル領域の１次放射を放出可能な半導体チップ４と、それぞれ１次放射を２次放射へ変換可能な少なくとも３つの蛍光体を含む変換素子とを含み、第１の蛍光体１は、緑色スペクトル領域の２次放射を放出可能であり、第２の蛍光体２は、赤色スペクトル領域の２次放射を放出可能であり、第３の蛍光体３は、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体であって、赤色スペクトル領域の２次放射を放出可能であり、オプトエレクトロニクスデバイスは、少なくとも８０のＲａ値および少なくとも７５のＲ９値を有し、白色の混合放射を放出する。【選択図】図１Ａ
Description
オプトエレクトロニクスデバイスを提供する。
オプトエレクトロニクスデバイスは、蛍光体を含む少なくとも１つの変換素子を含む。例えば、ＣＲＩ領域がＣＲＩ８０からＣＲＩ１１０である場合、一般照明のためのオプトエレクトロニクスデバイスの適用にとって有利である。このために、蛍光体が可能なかぎり狭帯域の放出を有すると有利である。特に、赤色スペクトル領域の放射を放出する狭帯域の蛍光体が有利である。可能な狭帯域の蛍光体とは、例えば、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体である。緑色スペクトル領域の放射を放出する別の蛍光体と組み合わせて、ＣＲＩ８０／９０系を構成することができる。
ただし、こうしたカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体は、適用に障害的に作用しうる欠点を有する。カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体は、例えば励起強度が高い場合に飽和効果を有し、このため特性量、例えば色座標、ＣＲＩまたはＲ９に変化を生じさせる。
従来の蛍光体と比べて、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体は、ＰＷＭ調光モード（パルス幅変調；低電流での動作に対する代替手段としての輝度調光のための、例えば２つの電流ゼロと動作電流との間の矩形パルス）でのオプトエレクトロニクスデバイスの動作時に、放出にいたるまでの大きな過渡時間を有する。これにより、従来の蛍光体を含むオプトエレクトロニクスデバイスと比べて、低い劣化安定性が生じ、そのためオプトエレクトロニクスデバイスは大きな劣化率を有する。また、赤色成分としてカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体を含むこの種のオプトエレクトロニクスデバイスは、まさに高ＣＲＩ領域（ＣＲ９０＋）において、ＣＲＩ／Ｒ９の調整を行うことが困難であり、場合によっては使用可能なＣＣＴ領域が制限されるという欠点を有する。
解決すべき課題は、上述した欠点を克服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。
この課題は、独立請求項１の特徴を有する対象によって解決される。当該対象の有利な実施形態および発展形態は各従属請求項に示されており、以下の説明および図から得られる。
少なくとも１つの実施形態では、オプトエレクトロニクスデバイスは半導体チップを有する。半導体チップは、青色スペクトル領域の１次放射を放出可能である。オプトエレクトロニクスデバイスは、変換素子を含む。変換素子は、少なくとも３つの蛍光体を含む。特に、変換素子は正確に３つの蛍光体を含む。蛍光体はそれぞれ、１次放射を２次放射へ変換可能である。３つの蛍光体は、第１の蛍光体、第２の蛍光体および第３の蛍光体であってもよい。第１の蛍光体は、緑色スペクトル領域の２次放射を放出可能である。第２の蛍光体は、赤色スペクトル領域の２次放射を放出可能である。第３の蛍光体は、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体である。第３の蛍光体は、赤色スペクトル領域の放射を放出可能である。デバイスは、Ｒａ値およびＲ９値を有する。Ｒａ値は少なくとも８０である。Ｒ９値は少なくとも７５である。デバイスは、白色の混合放射を放出可能である。
特には次のことが該当する。すなわち、Ｒａ値が８０であるとき、Ｒ９値は０より大きい。Ｒａ値が９０であるとき、Ｒ９値は９０より大きく、特には９５より大きい。Ｒａ値が９７であるとき、Ｒ９値は９０より大きく、特には９５より大きい。
これに関連して「可能である」とは、特にオプトエレクトロニクスデバイスの動作中、このデバイスが白色の混合放射を放出することを意味する。言い換えれば、半導体チップの１次放射が完全に２次放射へ変換されるのではなく、特には、白色の混合放射は、１次放射と３つの蛍光体の２次放射との和である。
蛍光体が放出可能であるとは、ここでは、蛍光体が、１次放射を吸光かつ／または透過し、２次放射を放出するように構成されることを意味する。蛍光体は、特には、オプトエレクトロニクスデバイスの動作中、２次放射を放出する。
ここでは、デバイスなる概念により、完成したデバイス、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードだけでなく、基板および／または半導体層も意図されており、このため例えば銅層および半導体層の接合体が既に１つのデバイスであって、例えば付加的に電気端子が設けられた上部に位置する第２のデバイスの要素でもありうることを指摘しておきたい。オプトエレクトロニクスデバイスは、例えば薄膜半導体チップ、特に薄膜発光ダイオードチップであってもよい。
ここにおいてかつ以下において、放出を行う蛍光体に関する色の表記は、電磁放射の各スペクトル領域を表す。
第１の蛍光体が緑色スペクトル領域の２次放射を放出可能であるとは、ここでは特に５００ｎｍから５８０ｎｍまでの範囲の波長またはピーク波長に関連する。
第２の蛍光体および／または第３の蛍光体が赤色スペクトル領域の２次放射を放出可能であるとは、ここでは特に５８０ｎｍから６５０ｎｍまでの波長またはピーク波長に関連する。
半導体チップが青色スペクトル領域の１次放射を放出可能であるとは、ここでは特に４３０ｎｍから４７０ｎｍまでの波長またはピーク波長に関連する。
デバイスは、白色の混合放射を放出可能である。混合放射とは、ここでは特に１次放射と２次放射との和である。つまり、デバイスは部分変換を行う。白色の混合放射として、ここにおいてかつ以下においては、プランクの黒体放射の色座標に相当する色座標、またはＣｘ色座標および／またはＣｙ色座標において、プランクの黒体放射の色座標から０．０７未満だけ、好ましくは０．０５未満だけ、例えば０．０３だけ偏差した色座標を有する光をいうことができる。さらに、ここにおいてかつ以下において、白色の光印象と称される光印象は、７０以上、好ましくは８０以上、特に好ましくは９０もしくは９５以上の、当業者に公知の演色評価数（"color rendering index", ＣＲＩ）を有する光によって形成することができる。
少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクスデバイスは無機発光ダイオード、略してＬＥＤである。
少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクスデバイスは半導体チップを含む。半導体チップは、青色スペクトル領域の１次放射を放出可能である。特に、半導体チップは、デバイスの動作中、青色スペクトル領域の１次放射を放出する。半導体チップは、特に、半導体積層体を有する。半導体積層体は半導体材料を含む。半導体積層体は、好ましくはＩＩＩ・Ｖ族化合物半導体材料をベースとしている。半導体材料は、例えば窒化物半導体材料、例えばＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＮ［それぞれ０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１かつｎ＋ｍ≦１］である。ここで、好ましくは、半導体積層体の少なくとも１つの層または全ての層に対し、０＜ｎ≦０．８，０．４≦ｍ＜１かつｎ＋ｍ≦０．９５かつ０＜ｋ≦０．５が該当する。この場合、半導体積層体はドープ物質および付加的な成分を含むことができる。ただし簡明性のために、半導体積層体の結晶格子の主要成分、すなわちＡｌ，Ｇａ，ＩｎまたはＮが部分的に少量の別の物質によって置換可能かつ／または補完可能であっても、これらの主要成分のみを示すものとする。
半導体積層体は、活性領域として、例えば従来のｐｎ接合部、ダブルへテロ構造、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有することができる。半導体積層体は、活性領域のほか、別の機能層および機能領域、例えばｐドープされたもしくはｎドープされた電荷担体輸送層、すなわち電子輸送層もしくは正孔輸送層、ｐドープされたもしくはｎドープされた閉じ込め層またはクラッド層、バッファ層および／または電極ならびにこれらの組み合わせを含むことができる。活性領域内のこれらの構造または関連する別の機能層および機能領域は、特に構成および機能および構造に関して当業者に公知であるので、ここで詳細には説明しない。
少なくとも１つの実施形態によれば、デバイスは変換素子を有する。変換素子は、少なくとも３つの蛍光体を含む。特に、変換素子は正確に３つの蛍光体を含む。３つの蛍光体は、第１の蛍光体、第２の蛍光体および第３の蛍光体である。各蛍光体は、半導体チップから放出された１次放射を２次放射へ変換することができる。
言い換えれば、各蛍光体は、デバイスの動作中、半導体チップから放出された１次放射を２次放射へ変換するように構成されている。好ましくは、変換素子は、１次放射の光路に配置される。変換素子は、部分変換可能である。言い換えれば、ここでの１次放射は完全には２次放射へ変換されず、デバイスから出射される全放射は１次放射と２次放射との和となっている。特に全放射は白色の混合放射である。
少なくとも１つの実施形態によれば、デバイスはＲａ値を含む。演色評価数Ｒａ（またはColour Rendering Indexの略のＣＲＩとも）は、光源の演色性の品質を記述する指数である。インデクスａは、最初の８個のサンプルカラーの平均値として計算された一般的な演色評価数を表す。
少なくとも１つの実施形態によれば、Ｒａ値は少なくとも８０である。特に、Ｒａ値は９０以上であり、好ましくは９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８および／または９９以上である。
付加的に、デバイスはＲ９値を有する。ＤＩＮ準拠の全部で１４個のサンプルカラーから、Ｒａ（ＣＲＩ）では最初の８個のみが考慮される（混合色）。第９のサンプルカラーは飽和赤である。したがって、Ｒ９値は、スペクトルの赤色成分の尺度量である。Ｒ９値は、飽和赤を表す高い演色評価数を示す。
少なくとも１つの実施形態によれば、Ｒ９値は少なくとも７５である。好ましくは、Ｒ９値は、９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８または９９以上である。
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップの青色スペクトル領域の優勢波長λｄｏｍは、４５５ｎｍ，４５０ｎｍ，４５４ｎｍまたは４４５ｎｍ未満である。優勢波長はピーク波長λｐｅａｋであってもよい。
優勢波長または主波長は、特に、ＣＩＥ標準表色系のスペクトル色線と、ＣＩＥ標準表色系の白色点から出て放射の実際の色座標を通って延在する直線との交点として生じる波長である。一般に、主波長または優勢波長は、主ピーク波長とは異なっている。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換素子は第１の蛍光体を含む。第１の蛍光体は、緑色スペクトル領域の２次放射を放出可能である。
少なくとも１つの実施形態によれば、第１の蛍光体は、イットリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット、ルテチウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット、オルソシリケート、窒化物オルソシリケートの群またはこれらの組み合わせから選択される。
イットリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット蛍光体は、例えばＹＡＧａＧであってもよい。イットリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット蛍光体は、構造式Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅを有しうる。
ルテチウム・アルミニウム・ガーネットはＬｕＡＧであってもよい。ルテチウム・アルミニウム・ガーネットは、構造式Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅを有しうる。
ルテチウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネットは例えばＬｕＡＧａＧであってもよい。ルテチウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネットは、構造式Ｌｕ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅを有しうる。
ルテチウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネットは、例えばＬｕＹＡＧであってもよい。ルテチウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネットは、構造式（Ｌｕ，Ｙ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅを有しうる。
窒化物オルソシリケートは、例えば、ＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉＯ４−ｘＮｘもしくはＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉ１−ｙＯ４−ｘ−２ｙＮｘ、ここでＲＥは希土類金属であり、ＡＥはアルカリ土類金属である、であってもよく、または（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋であってもよい。
第１の蛍光体、第２の蛍光体および／または第３の蛍光体は、当該蛍光体が対応するスペクトル領域の放出を有する場合、好ましくは以下に示す群から選択される。すなわち、Ｅｕ２＋ドープされた窒化物、例えば（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋，Ｓｒ（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓｉ２Ａｌ２Ｎ６：Ｅｕ２＋，（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３ ＊Ｓｉ２Ｎ２Ｏ：Ｅｕ２＋，（Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋，（Ｓｒ，Ｃａ）［ＬｉＡｌ３Ｎ４］：Ｅｕ２＋；一般系からのガーネット、（Ｇｄ，Ｌｕ，Ｔｂ，Ｙ）３（Ａｌ，Ｇａ，Ｄ）５（Ｏ，Ｘ）１２：ＲＥ、ここでＸはハロゲン化物、Ｎまたは２値の元素、Ｄは３値もしくは４値の元素、ＲＥは希土類金属、例えばＬｕ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，Ｙ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋である；Ｅｕ２＋ドープされた硫化物、例えば（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓ：Ｅｕ２＋；Ｅｕ２＋ドープされたＳｉＯＮ、例えば（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ２＋；例えばＬｉｘＭｙＬｎｚＳｉ１２−（ｍ＋ｎ）Ａｌ（ｍ＋ｎ）ＯｎＮ１６−ｎの系からのＳｉＡｌＯＮ；Ｓｉ６−ｘＡｌｚＯｙＮ８−ｙ：ＲＥｚ、ここでＲＥは希土類金属である系からのβ・ＳｉＡｌＯＮ；窒化物オルソシリケート、例えばＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉＯ４−ｘＮｘもしくはＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉ１−ｙＯ４−ｘ−２ｙＮｘ、ここでＲＥは希土類金属、ＡＥはアルカリ土類金属、または例えば（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋である；クロロシリケート、例えばＣａ８Ｍｇ（ＳｉＯ４）４Ｃ１２：Ｅｕ２＋；クロロフォスフェート、例えば（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃ１２：Ｅｕ２＋；ＢａＯ・ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系からのＢＡＭ蛍光体、例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋；ハロフォスフェート、例えばＭ５（ＰＯ４）３（Ｃｌ，Ｆ）：（Ｅｕ２＋，Ｓｂ２＋，Ｍｎ２＋）；ＳＣＡＰ蛍光体、例えば（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋；の群から選択される。さらに、いわゆる量子ドットも変換材料として導入可能である。この場合、ＩＩ・ＶＩ族化合物の群および／またはＩＩＩ・Ｖ族化合物の群および／またはＩＶ・ＶＩ族化合物の群および／または金属・ナノ結晶を含むナノ結晶材料の形態の量子ドットが好ましい。また、蛍光体は量子井戸構造を有することができ、エピタキシャル成長させることができる。
少なくとも１つの実施形態によれば、変換素子は第２の蛍光体を含む。第２の蛍光体は赤色スペクトル領域の放射を放出可能である。特に、第２の蛍光体は、Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物である。Ｍは少なくともＥｕを含み、付加的にＣａ，Ｓｒおよび／またはＢａを含む。Ｍは、特には、Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＥｕの組み合わせである。ＭはＣａ，ＳｒまたはＢａであってもよく、ここで、Ｍは付加的にドーパント、例えばＥｕまたはＣｅを含む。蛍光体はドープされている。当該ドープは、特にＥｕで行われる。ストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物蛍光体は、Ｅｕ２＋ドープされた窒化物、例えば（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋，Ｓｒ（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓｉ２Ａｌ２Ｎ６：Ｅｕ２＋または（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３ ＊Ｓｉ２Ｎ２Ｏ：Ｅｕ２＋であってもよい。
少なくとも１つの実施形態によれば、デバイスは第３の蛍光体を含む。第３の蛍光体は、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体である。特に、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体は、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎである。
少なくとも１つの実施形態によれば、第２の蛍光体は、第３の蛍光体より大きい半値幅を有する。特に、第２の蛍光体は広帯域に形成され、これに対して第３の蛍光体は狭帯域の蛍光体である。
少なくとも１つの実施形態によれば、第２の蛍光体は、６０ｎｍから９０ｎｍの半値幅を有する。
少なくとも１つの実施形態によれば、第３の蛍光体は、２０ｎｍから５０ｎｍの半値幅を有する。狭帯域の蛍光体は特に、２０ｎｍから５０ｎｍの範囲の半値幅を有する。カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体（ＫＳＦ）は、それぞれ数ナノメートルのみの半値幅を有する複数の放出線から成る線状スペクトルを有する。想定される、全ての個々の線の包絡線は、約３０ｎｍのスペクトル幅を有する。
カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体は、負の内因性の特性を有する。当該負の特性は、改善可能であるが、完全には消去できない。したがって、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体はこれまで限定的にしか用いられていない。なぜなら、当該蛍光体は、例えばオプトエレクトロニクスデバイスの適用において、動作電流および温度によって制限されているからである。
同様に赤色スペクトル領域の放射を放出する第２の蛍光体を添加することにより、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体のこうした欠点を低減もしくは回避できることが認識されている。特に、第２の蛍光体は、安定な窒化物蛍光体である。第２の蛍光体を添加することにより、赤色スペクトル領域の変換の主部分を、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体の上述した負の特性を有さない当該第２の蛍光体が引き受け可能となる。特に、ＣＲＩ／Ｒ９の要求に関して必要となる量のカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体が添加される。希釈効果により、第３の蛍光体が蛍光体の系全体に与える負の特性の作用が低減される。
この場合、広帯域の第２の蛍光体の添加は、狭帯域の第３の蛍光体の上述した利点に矛盾しない。長波長側の赤色成分としての狭帯域の第３の蛍光体の使用は、効率の点で有利である。なぜなら、例えば、弱光量評価領域において僅かな赤色成分しか現れないからである。この場合、付加的な短波長側の赤色蛍光体は、充分に広帯域であってもよい。さらに、第２の蛍光体の添加により、第１の蛍光体および使用される半導体チップの選択におけるフレキシビリティが特に高ＣＲＩ用途において生じる。
第２の蛍光体が存在しない場合、そもそも要求されたＲａ値およびＲ９値を有する個々の系しか可能でないことが認識されている。正確に２つの蛍光体、例えば第１の蛍光体および第３の蛍光体すなわちカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体のみを含むデバイスと比べて、こうしたデバイスでは、長波長側の青色スペクトル領域の１次放射を有する半導体チップが必要である。その理由は、個々の蛍光体が、青色を放出する半導体チップから赤色を放出するカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体までのスペクトル領域を完全にはカバーできないことにある。生じるスペクトルギャップのため、高いＲａ値（ＣＲＩ）は得られない。これは、いずれの場合にも、長波長側の緑色を放出する第１の蛍光体を、きわめて長波長側の青色を放出する半導体チップと組み合わせることにより、生じうる。
赤色スペクトル領域の放射を放出する第２の蛍光体を添加することにより、ほぼ制限のない、カリウム・ケイ素・フッ化物を含む蛍光体と青色スペクトル領域の放射を放出する半導体チップとの組み合わせ手段が得られることが認識されている。第２の蛍光体が第１の蛍光体と第３の蛍光体との間のスペクトルギャップを充填するので、短波長の第１の蛍光体と相応の短波長の半導体チップとを使用することもできる。
ここで説明しているオプトエレクトロニクスデバイスによれば、従来のオプトエレクトロニクスデバイスのスペクトル効率を著しく上回るスペクトル効率を有する高いＲａ値／Ｒ９値を、達成可能である。
少なくとも１つの実施形態によれば、第２の蛍光体および第３の蛍光体の全割合に対するカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体の割合は、５５重量％から８２重量％、特には５５重量％から６０重量％である。ただし、吸光度が高くなりかつこれに必要な濃度を低減しうる、高濃度にドープされたＫＳＦ誘導体も可能である。
少なくとも１つの実施形態によれば、第２の蛍光体および第３の蛍光体の全割合に対するカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体の割合は、８０重量％から８４重量％である。
少なくとも１つの実施形態によれば、第２の蛍光体および第３の蛍光体の全割合に対するカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体の最小割合は、５３重量％から６７重量％である。最小割合とは、ここでは、デバイスに要求されるＲａ値およびＲ９値を形成するための、第３の蛍光体の赤色成分の割合を意味する。
系における第３の蛍光体の割合に関して、重量割合は高いが、白色スペクトルにおける第３の蛍光体のスペクトルの割合はむしろ小さくなる。このことは特に、第３の蛍光体の劣悪な吸光特性に帰せられる。
少なくとも１つの実施形態によれば、第１の蛍光体はイットリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネットであり、第２の蛍光体はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである。
少なくとも１つの実施形態によれば、第１の蛍光体はルテチウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネットであり、第２の蛍光体はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである。
少なくとも１つの実施形態によれば、第１の蛍光体はルテチウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネットであり、第２の蛍光体はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである。
少なくとも１つの実施形態によれば、第１の蛍光体はルテチウム・アルミニウム・ガーネットであり、第２の蛍光体はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである。
上述したこれらの実施形態では、第３の蛍光体として特にカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体（ＫＳＦ）が含まれる。
少なくとも１つの実施形態によれば、第１の蛍光体はオルソシリケートであり、第２の蛍光体はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである。
少なくとも１つの実施形態によれば、第１の蛍光体は窒化物オルソシリケートであり、第２の蛍光体はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである。
２値の系、例えば緑色成分としてのルテチウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネットおよび赤色成分としてのカリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体（ＫＳＦ）から成る系に比べて、ここで説明しているオプトエレクトロニクスデバイスは、ここで説明している有利な特性を有する。
本対象の別の利点ならびに有利な実施形態および発展形態は、図に関連して以下に説明する実施例から得られる。
実施例および図では、同一の要素または同様の作用を有する要素にそれぞれ同一の参照番号を付してある。図示されている要素およびその相互の寸法比は基本的には縮尺通りでないものと理解されたい。また、各蛍光体の同じ実施例には同じ略号を付してある。
表１には、複数の実施形態による要素と２値の比較例の要素とが示されている。当該例は、以下の図の実施形態の要素であってもよい。
図１には、一実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な側面図が示されている。
図１Ａによれば、オプトエレクトロニクスデバイス１００はリードフレーム９を含む。また、オプトエレクトロニクスデバイスは、支持体または基板５を含む。リードフレーム９上には、半導体チップ４が配置されている。半導体チップ４は、半導体積層体を有する。半導体チップは、例えば優勢波長４５０ｎｍの青色スペクトル領域の放射を放出するように構成されている。半導体チップ４は、凹部７内に配置されている。凹部７は、ケーシング６の一部である。凹部７には成形材を充填可能である。当該成形材は、母材８を含んでいてもよい。母材には、第１の蛍光体、第２の蛍光体および第３の蛍光体を埋め込み可能である。当該埋め込みは、均一であっても、または不均一であってもよい。さらに、別の粒子を成形材に埋め込むこともできる。別の粒子は、例えば（ここでは図示していない）散乱粒子であってもよい。母材はシリコーンまたはエポキシ樹脂であってもよい。変換素子は、物質結合および形状結合により半導体チップ４を包囲しており、この半導体チップ４から放出された１次放射を少なくとも部分的に２次放射へ変換する。第１の蛍光体１は、１次放射を緑色スペクトル領域の２次放射として放出し、第２の蛍光体２は、１次放射を、赤色スペクトル領域の２次放射、特に広帯域の赤色スペクトル放射として放出し、第３の蛍光体３は、特に、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体である。狭帯域とは、２０ｎｍから５０ｎｍまでの半値幅を意味しうる。
第３の蛍光体３は、１次放射を、赤色スペクトル領域の２次放射、好ましくは狭帯域のスペクトル放射として放出する。デバイス１００から出射される全放射は、白色の混合放射１１である。デバイスは、少なくとも８０のＲａ値および少なくとも７５のＲ９値を有する。Ｒ９値が７５であることは、特に、Ｒａが９０より大きい高Ｒａ手段に関連している。また、ＣＲＩ８０については、０より大きいＲ９限界が有用である。
図１Ｂには、一実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な側面図が示されている。ここでは、半導体チップ４は、支持体または基板５上に配置されている。基板は、例えば、ガラス、石英、プラスチック、金属、ケイ素、ウェハから選択された、層、プレート、箔もしくはラミネートの形態の１つもしくは複数の材料を含むことができる。特に、基板はシリコンウェハである。半導体チップ４の放射主面１２上に、変換素子１０が設けられている。変換素子１０は、母材８と３つの蛍光体１，２，３とを含むことができる。変換素子１０は、例えば予成形可能であり、いわゆるピックアンドプレースプロセスによって半導体チップ４の放射主面１２上に被着可能である。好ましくは、半導体チップ４の側面１３には、デバイス１００の変換素子は存在しない。
図１Ｃには、一実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスの概略的な側面図が記載されている。半導体チップ４は支持体５上に配置されている。支持体は例えばセラミックであってもよい。変換素子１０は、ここでは、半導体チップ４を全側面で包囲している。変換素子１０は、少なくとも３つの蛍光体１，２，３を含むことができる。変換素子１０は、セラミックとして成形可能である。代替的に、３つの蛍光体１，２，３を、母材８、例えばシリコーンに埋め込むこともできる。
図１Ｄには、一実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイス１００の概略的な側面図が示されている。ここでは、半導体チップ４が支持体５上に配置されている。半導体チップ４の光路に変換素子１０が配置されている。変換素子は、少なくとも２つの部分層を有する。第１の部分層は半導体チップ４に直接に接して設けられている。第１の部分層は第１の蛍光体１を含む。第１の蛍光体１は、母材８なしで、または母材に埋め込まれた状態で、設けることができる。特に、第１の部分層は、半導体チップ４の放射主面１２上に直接に設けられる。第１の部分層には第２の部分層が続いてもよい。第２の部分層は、第２の蛍光体２および第３の蛍光体３の混合物を含むことができる。第２の部分層をセラミックとして設けることができ、または第２の蛍光体および第３の蛍光体を、母材８、例えばシリコーン内に分散させることもできる。第２の部分層は、好ましくは、第１の部分層に直接に続く。
代替的に、第１の部分層および第２の部分層の順序は交換することもできる。言い換えれば、第２の部分層が半導体チップ４に直接に続き、ついで第１の部分層が第２の部分層に直接に続いてもよい。
図１Ｅには、一実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイス１００の概略的な側面図が示されている。半導体チップ４は支持体５上に配置されている。変換素子１０は、３つの部分層を有する。第１の部分層は、第１の蛍光体１を含む。第２の部分層は、第２の蛍光体２を含む。第３の部分層は、第３の蛍光体３を含む。各部分層は、半導体チップ４から離れる方向で連続して、第１の部分層、第２の部分層および第３の部分層の順で設けることができる。
代替的に、当該順序は、半導体チップ４から離れる方向で、第２の部分層、第３の部分層および第１の部分層の順であってもよい。
代替的に、当該順序は、半導体チップ４から離れる方向で、第３の部分層、第１の部分層および第２の部分層の順であってもよい。
図２には、Ｒａ値に対する効率ＬＥＲ（単位：ルーメン毎ワット）の依存関係が示されている。ここには比較例および実施例が示されている。領域２０は比較例を示しており、領域２１は一実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスを示している。
比較例は、特に、緑色を放出する蛍光体と赤色を放出する蛍光体との２つの蛍光体のみを含むデバイスである。当該比較例は、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体を含まない。
当該デバイスは、少なくとも３つの蛍光体を含み、４０００Ｋ、ピーク波長４４５ｎｍ、４５０ｎｍおよび４５５ｎｍでシミュレートされている。比較例と比べ、ここで説明しているデバイスは、同等の高さの効率において高い光品質を示している。
図３には、Ｒ９に依存するＬＥＲがシミュレーションとして示されている。比較例（３２２）および実施例（３１１，ｘ）の効率の利点が示されている。比較例は、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体を含まない。当該実施例は、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体を含む。シミュレーションは、４０００Ｋ、ピーク波長４４５ｎｍ、９２より大きいＣＲＩで行われている。
当該デバイスは、各比較例に比べて、高い品質および高いＬＥＲ値を示している（矢印３２に比較した矢印３１を参照）。
図４Ａには、波長４４５ｎｍ、４５０ｎｍおよび４５５ｎｍの比較例のＲａ値に依存するＲ９のシミュレーションが示されている。また、「目標四角形」、すなわち少なくとも８０のＲａ値および少なくとも７５のＲ９値を有する領域が定義されている。ここでは、図４Ａの、カリウム・ケイ素・フッ化物のみを赤色成分として含む蛍光体手段のシミュレーションが、図４Ｂの実施例によるオプトエレクトロニクスデバイスに比べて示されている。
図４Ｂには、当該実施例による、波長４４５ｎｍ、４５０ｎｍおよび４５５ｎｍでのＲａとＲ９値との依存関係が示されている。
図４Ａ，図４Ｂの２つのグラフの比較から、デバイスにより、要求されたＲａ値およびＲ９値を有する比較例に比べて、蛍光体の系の多数の良好な組み合わせ手段が得られることが明瞭に見て取れる。また、ここで説明しているデバイスにより、使用可能なチップ波長領域が拡大される。
図５Ａから図５Ｂには、それぞれ、Ｒａ値と、第３の蛍光体の濃度ｃＫＳＦ［％］との依存関係が示されている。第３の蛍光体として、ここでは、カリウム・ケイ素・フッ化物（ＫＳＦ）がパーセンテージ［％］で示されている。割合ｃＫＳＦ［％］は、第２の蛍光体および第３の蛍光体の成分の全割合に対するものである。
図５Ｃには、第３の蛍光体ＫＳＦの濃度［％］に依存する効率ＬＥＲが示されている。ここでは、第１の蛍光体、第２の蛍光体および第３の蛍光体を含む、オプトエレクトロニクスデバイス１００の変換素子１０がシミュレートされている。
図５Ａ，図５Ｂから、充分な演色性のために、混合物におけるＫＳＦの１００％の濃度は必要ないことが明らかである。約６０重量％のＫＳＦおよび４０重量％の第２の蛍光体によっても同等の演色性を達成可能であり、さらに効率の増大を達成可能である（図５Ｃを参照）。
図５Ａには、ＫＳＦの最小濃度が約５０重量％であることが示されている。第２の蛍光体および第３の蛍光体の全割合に対してＫＳＦが約８０重量％である場合、Ｒａ値は最大となる。
図５Ｂには、Ｒ９が８０であるとき、ＫＳＦの最小濃度が６５重量％であり、Ｒ９値の最大値が約１００であるときのＫＳＦ濃度の最大値が８０重量％であることが示されている。
図５Ｃのグラフからは、第３の蛍光体の濃度が低くなるにつれて、スペクトル効率ＬＥＲが高くなることが見て取れる。
図６には、カリウム・ケイ素・フッ化物（ＫＳＦ）の放出スペクトルが示されている。ここには波長に依存した強度が示されている。
当該実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスにおいて第３の蛍光体の最小濃度を使用することにより、最大効率を達成可能であることが認識される。
図に関連して説明した実施例およびその特徴は、こうした組み合わせが明示的に図示されていなくとも、別の実施例によれば相互に組み合わせ可能である。さらに、図に関連して説明した実施例は、明細書の全般にわたる付加的または代替的な特徴を含みうる。
図に関連して説明した特徴および実施例は、全ての組み合わせが明示的に図示されていなくとも、別の実施例によれば相互に組み合わせ可能である。さらに、図に関連して説明した実施例は、付加的にまたは代替的に、明細書の全般にわたる別の特徴を含みうる。
本願は、独国特許出願第１０２０１８１０１４２８．７号の優先権を主張し、その開示内容は引用により本願に含まれるものとする。
本発明は、実施例に即した説明によってこれに限定されるものではない。むしろ、本発明は、新規な特徴の全て、ならびに特に特許請求の範囲に記載された特徴の組み合わせの全てを含む特徴の組み合わせの全て自体が特許請求の範囲または実施例に明示されていなくとも、当該特徴の全ておよびその組み合わせの全てを含む。
１００ オプトエレクトロニクスデバイス
１ 第１の蛍光体
２ 第２の蛍光体
３ 第３の蛍光体
４ 半導体チップ
５ 支持体または基板
６ ケーシング
７ 凹部
８ 母材
９ リードフレーム
１０ 変換素子
１１ 全放射、混合放射
１２ 半導体チップの放射主面
１３ 半導体チップの側面
１ 第１の蛍光体
２ 第２の蛍光体
３ 第３の蛍光体
４ 半導体チップ
５ 支持体または基板
６ ケーシング
７ 凹部
８ 母材
９ リードフレーム
１０ 変換素子
１１ 全放射、混合放射
１２ 半導体チップの放射主面
１３ 半導体チップの側面
Claims (19)
- オプトエレクトロニクスデバイス（１００）であって、
青色スペクトル領域の１次放射を放出可能な半導体チップ（４）と、
それぞれ前記１次放射を２次放射へ変換可能な少なくとも３つの蛍光体を含む変換素子（１０）と
を含み、
第１の蛍光体（１）は、緑色スペクトル領域の２次放射を放出可能であり、
第２の蛍光体（２）は、赤色スペクトル領域の２次放射を放出可能であり、
第３の蛍光体（３）は、カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体であって、赤色スペクトル領域の２次放射を放出可能であり、
前記デバイス（１００）は、少なくとも８０のＲａ値および少なくとも７５のＲ９値を有し、前記デバイス（１００）は、白色の混合放射を放出可能である、
オプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記半導体チップ（４）の青色スペクトル領域の優勢波長（λｄｏｍ）は、４５５ｎｍ未満である、
請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第１の蛍光体（１）は、イットリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット、ルテチウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット、ルテチウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット、オルソシリケート、窒化物オルソシリケートの群から選択されている、
請求項１から２までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第２の蛍光体（２）は、Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物であり、ここで、Ｍは少なくともＥｕを含み、付加的にＣａ，Ｓｒおよび／またはＢａを含む、
請求項１から３までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体（３）は、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎである、
請求項１から４までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第２の蛍光体（２）は、最小６０ｎｍから最大９０ｎｍまでの半値幅を有する、
請求項１から５までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第３の蛍光体（３）は、最小２０ｎｍから最大５０ｎｍまでの半値幅を有する、
請求項１から６までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記Ｒａ値は９０より大きい、
請求項１から７までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記Ｒａ値は９７より大きい、
請求項１から８までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記Ｒ９値は９０より大きい、
請求項１から９までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記Ｒ９値は９５より大きい、
請求項１から１０までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第１の蛍光体（１）はイットリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネットであり、前記第２の蛍光体（２）はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである、
請求項１から１１までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第１の蛍光体（１）はルテチウム・アルミニウム・ガーネットであり、前記第２の蛍光体（２）はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである、
請求項１から１２までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第１の蛍光体（１）はイットリウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネットであり、前記第２の蛍光体（２）はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである、
請求項１から１３までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第１の蛍光体（１）はルテチウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネットであり、前記第２の蛍光体（２）はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである、
請求項１から１４までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第１の蛍光体（１）はオルソシリケートであり、前記第２の蛍光体（２）はＭ２Ｓｉ５Ｎ８またはストロンチウム・カルシウム・アルミニウム・ケイ素・窒化物のいずれかである、
請求項１から１５までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第２の蛍光体および前記第３の蛍光体（２，３）の全割合に対する前記カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体（３）の割合は、最小５５重量％から最大８２重量％である、
請求項１から１６までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第２の蛍光体および前記第３の蛍光体（２，３）の全割合に対する前記カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体（３）の割合は、最小８０重量％から最大８４重量％である、
請求項１から１７までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。 - 前記第２の蛍光体および前記第３の蛍光体（２，３）の全割合に対する前記カリウム・ケイ素・フッ化物蛍光体（３）の最小割合は、最小５３重量％から最大６７重量％である、
請求項１から１８までの少なくとも１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス（１００）。
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