JP4001892B2 - 半導体発光素子、ｌｅｄ表示装置、照明装置および液晶表示部の照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子の作動中に電磁ビームを放射する半導体基体と、この半導体基体と導電的に接続されている少なくとも１つの第１の電気接続端子及び少なくとも１つの第２の電気接続端子と、少なくとも１つの蛍光物質を有するルミネセンス変換エレメントとを備えた半導体発光素子に関する。また本発明は、半導体発光素子を複数有するＬＥＤ表示装置および照明装置に関する。さらには半発明は、半導体発光素子を少なくとも１つ有する液晶表示部の照明装置に関する。
このような半導体素子は、例えば、ＤＥ３８０４２９３から公知である。ここには、エレクトロルミネセンスダイオード又はレーザダイオードが記載されており、レーザダイオードでは、ダイオードから放射された放射スペクトル全体が光変換作用をする発光有機色素の混じったプラスチックから成るエレメントを用いて、比較的大きな波長の方へシフトされる。それにより、装置機構から放射された光は、発光ダイオードから放射された光とは別の色を有する。プラスチックに添加された色素の種類に依存して、同一の発光ダイオードタイプにより、種々の色で発光する発光ダイオードを作製できる。
ＤＥ−ＯＳ２３４７２８９から公知の赤外線（ＩＲ）固体ランプでは、ＩＲダイオードの縁にて、蛍光物質が取り付けられており、この蛍光物質は、そこから放射されたＩＲビームを可視光に変換する。この手段の目標は、コントロール目的のため、ＩＲビームのできるだけ僅かな部分を、放射されたＩＲビームの強度の低減をできるだけ僅かにして、可視光に変換することである。
更にＥＰ４８６０５２から公知の発光ダイオードではサブストレートとアクティブなエレクトロルミネセンス層との間に少なくとも１つの半導体フォトルミネセンス層が設けられており、このフォトルミネセンス層はアクティブ層からサブストレートの方へ放射された第１の波長領域の光を第２の波長領域の光へ変換し、その結果発光ダイオードは全体として相異なる波長領域の光を放射する。
発光ダイオードの数多の潜在的に可能の適用分野、例えば車両計器盤における指示素子、航空機及び自動車における照明並びに、フルカラーに適したＬＥＤディスプレイの場合にて、混合光、殊に白色光を発することができる発光ダイオードに対する要求が強く現れている。
ＪＰ−０７１７６７９４−Ａでは、白色光を放射する平面形光源が記載されており、この平面形光源では、透明板の１つの端面にて青色光を発する２つのダイオードが設けられており、この２つのダイオードは光を透明板内に放射する。透明板は相対向する２つの主面の上に蛍光作用をする物質で被覆されており、この蛍光物質はダイオードの青色光で励起されると光を発する。蛍光物質から発せられた光は、ダイオードから発せられた青色光とは別の波長を有する。上記の公知の半導体発光素子では、光源が均質な白色光を放射するように発光物質を被着することは特に困難である。更に、量産上の再現可能性も大きな問題となる。それというのは、例えば透明板の表面の非平坦性に基づく発光層の僅かな厚層の変動だけでもう、放射された光の白色相の変化が惹起されるからである。
ＤＥ３８０４２９３ ＤＥ−ＯＳ２３４７２８９ ＥＰ４８６０５２ ＪＰ−０７１７６７９４−Ａ
本発明の課題は、均質な混合光を放射し、極めて十分に再現可能な素子特性を以て技術的に簡単な量産を保証するように、冒頭で述べたような半導体発光素子を発展させることである。またこの半導体発光素子を有するＬＥＤ表示装置および照明装置ならびに液晶表示部の照明装置を提供することである。
この課題は、半導体発光素子に関しては、半導体基体が半導体多層構造を有し、半導体多層構造は半導体発光素子の作動中に、少なくとも紫外線スペクトル領域又は青色スペクトル領域又は緑色スペクトル領域から成るビームを包含する第１の波長領域の電磁ビームを放射し、ルミネセンス変換エレメントは、第１の波長領域に由来するビームを第１の波長領域とは異なる第２の波長領域に変換し、半導体発光素子は第１の波長領域のビーム及び第２の波長領域のビームから成る混合ビームを放射し、半導体基体から放射されたビームが、λ≦５２０ｎｍの波長のもとで相対的なルミネセンス強度最大値を有し、ルミネセンス変換エレメントによりスペクトル的に選択的に吸収された波長領域は強度最大値から外れたところに位置することにより解決される。ＬＥＤ表示装置および照明装置に関しては、請求項１から２８までのいずれか１項に記載されている半導体発光素子を複数有することによって解決される。液晶表示部の照明装置に関しては、請求項１から２８までのいずれか１項に記載されている半導体発光素子を少なくとも１つ有することによって解決される。
本発明の有利な発展形態が請求項２から２８に記載されている。
本発明によれば、発光半導体基体は多層構造、例え、ＧａｘＩｎ１−ｘＮ又はＧａｘＡｌ１−ｘＮから成る活性半導体層を有する多層構造を有し、この多層構造は半導体素子の作動中に紫外線スペクトル領域、青色スペクトル領域及び／又は緑色スペクトル領域から成る第１の波長領域の電磁ビームを放射するものである。ルミネセンス変換エレメントは、第１の波長領域に由来するビームを、第１の波長領域１とは異なる第２の波長領域のビームに変換し、ここで、半導体発光素子は第１の波長領域のビーム及び第２の波長領域のビームから成る混合ビームを放射する。換言すれば、例えばルミネセンス変換エレメントは、半導体発光素子から放射されるビームを有利には、第１の波長領域のスペクトル部分領域に亘ってスペクトル的に選択的に吸収し、比較的長い波長の領域（第２の波長領域）において放射する。有利には、半導体発光素子から放射されるビームはλ≦５２０ｎｍのもとで相対的な強度最大値を有し、ルミネセンス変換エレメントによりスペクトル的に選択的に吸収された波長領域はこの強度最大値から外れたところに位置する。
同様に有利には、本発明によれば第１の波長領域に由来する複数の（１つ又は１つより多くの）第１のスペクトル部分領域を複数の第２の波長領域に変換することができる。それにより、多様の色混合及び色温度を生じさせることが可能である。
本発明の半導体発光素子は、ルミネセンス変換を介して生じた波長スペクトル、ひいては放射された光の色が半導体発光素子を通る動作電流強度の高さに依存しないという特別な利点を有する。このことは半導体発光素子の周囲温度、従って動作電流強度も著しく変動する場合特に大きな重要性を有する。ＧａＮをベースとする半導体発光素子を有する特別な発光ダイオードは、これに関して著しく敏感である。
更に本発明の半導体発光素子は単一の制御電圧しか必要とせず、したがってまた単一の制御回路装置しか必要とせず、それによって半導体発光素子の制御回路に対する構成部品コストを著しく僅かに抑えることができる。
本発明の特に有利な実施形態によれば、ルミネセンス変換エレメントとして、半導体基体上に、又はその上方に、部分的に透明なルミネセンス変換層、即ち、発光半導体基体から放射されるビームに対して部分的に透過性であるルミネセンス変換層が設けられている。放射された光の統一的な色を確保するため、ルミネセンス変換層は全く一定の厚さを有するように構成されている。このことにより得られる特別な利点は、ルミネセンス変換層を通って半導体基体から放射される光の光路長が、全てのビーム方向に対してほぼ一定であることである。これによって半導体発光素子が全ての方向で同一色の光を放射することが達成される。この本発明の発展形態による半導体発光素子のさらなる特別な利点は、簡単な手法で高い再現性を達成できることであり、このことは、効率的な量産にとって極めて重要な意義がある。ルミネセンス変換層として、例えば蛍光物質の添加されたラッカ層又は樹脂層を設けるとよい。
本発明の半導体発光素子の他の有利な実施形態によれば、ルミネセンス変換エレメントとして部分的に透明なルミネセンス変換エンベロープが設けられており、このルミネセンス変換エンベロープは、半導体基体の少なくとも１部（及び電気接続端子の部分領域）を包囲するように構成されており、同時に構成部品カバー（ケーシング）として利用することができる。この実施形態による半導体発光素子の利点は、実質的に、従来の発光ダイオード（例えば、ラジアル発光ダイオード（Radial-Leuchtdiode））の作製のため使用される生産ラインをこの半導体発光素子の作製に利用できることである。構成部品エンベロープのため、従来の発光ダイオードにおいてそのために使用される透明なプラスチックの代わりに、ルミネセンス変換エンベロープの材料が使用される。
本発明の半導体発光素子の更なる有利な実施形態及び上記の２つの有利な実施形態ではルミネセンス変換層ないしルミネセンス変換エンベロープは、透明な材料、例えばプラスチック、有利にはエポキシ樹脂（有利なプラスチック及び蛍光物質の事例が、更に以下示されている）から成る。そのようにして、ルミネセンス変換エレメントを特に有利なコストで作製できる。即ち、そのために必要な方法ステップは、大きなコストを掛けずに発光ダイオードのための従来の生産ラインに統合化可能である。
本発明の有利な発展形態によれば、１つ又は複数の第２の波長領域は、実質的に、第１の波長領域より大きな波長λを有しているのである。
殊に、本発明の更なる実施形態によれば、第１の波長領域の第２の部分スペクトル領域及び第２の波長領域は相互に相補的である。そのようにして単一のカラーの光源、殊に青色光を放射する単一の半導体基体を有する発光ダイオードから混色の光、殊に白色光を発生させることができる。例えば青色光を放射する半導体基体により白色光を発生させるために、半導体基体から放射されるビームの部分が、青色のスペクトル領域から青色に対して補色の黄色のスペクトル領域に変換される。白色光の色温度又は色個所は、ルミネセンス変換エレメントの適当な選定により、殊に、蛍光物質ないしそれの粒子の大きさ及びそれの濃度の適当な選定により可変できる。更に、前記配置構成は、有利には蛍光物質の混合体を使用できるようにするものであり、これによって有利に所望の色相を著しく精確に調節できる。同様にルミネセンス変換エレメントを、例えば不均質な蛍光物質分布により、不均質に構成することもできる。これにより有利にはルミネセンス変換エレメントを通る光の種々の光路長を補償できる。
本発明の有利な実施形態では、ルミネセンス変換エレメント又は構成部品エンベロープの他の構成部分が色整合のため１つ又は複数の色素を有し、この色素は波長変換を行わせないものである。このために、従来の発光ダイオードの作製に使用された色素、例えばアゾ系色素、アントラキノン系色素又はペリノン系色素を使用できる。
過度に高いビーム負荷からルミネセンス変換エレメントを保護するために、本発明の有利な実施形態ないし前記半導体発光素子の有利な実施形態によれば、半導体基体の表面の少なくとも一部が第１のエンベロープ、例えばプラスチックから成る第１の透明なエンベロープにより被覆され、このエンベロープ上にルミネセンス変換層が被着されるのである。それにより、ルミネセンス変換エレメントにおけるビーム密度、従って、それのビーム負荷が低減され、このことは使用される材料に応じて、ルミネセンス変換エレメントの耐用寿命に好ましい影響を及ぼす。
本発明の特に有利な構成及び前述の実施形態では発光半導体基体が使用され、この発光半導体基体では、半導体基体から放射されたビームスペクトルが波長４２０ｎｍと４６０ｎｍとの間、殊に４３０ｎｍ（例えばＧａｘＡｌ１−ｘＮをベースとした半導体基体）又は４５０ｎｍ（例えばＧａｘＩｎ１−ｘＮをベースとした半導体基体）での波長のもとでルミネセンス強度最大値を有する。そのような本発明の半導体発光素子により、有利にはＣ．Ｉ．Ｅカラーチャートのほぼ全ての色及び混色を生じさせることができる。ここで、発光半導体基体は上述のように、実質的に、エレクトロルミネセンス半導体材料から成っていてよいが、他の半導体材料から成っていてもよく、例えば他のエレクトロルミネセンス半導体材料、例えばポリマ材料から成っていてもよい。
本発明の更なる特に有利な発展形態では、ルミネセンス変換エンベロープないしルミネセンス変換層は、ラッカ又はプラスチック、例えばオプトエレクトロニック構成素子のエンベロープに使用されるシリコン材料、熱可塑性材料又は熱硬化性材料（エポキシ樹脂及びアクリル樹脂）から作製される。更に、例えば熱可塑性材料から製造された被覆体をルミネセンス変換エンベロープとして使用できる。上述の全ての材料に簡単に１つ又は複数の蛍光物質を添加することができる。
本発明の半導体発光素子は次のようにすれば特に簡単に実現できる。即ち、半導体基体は、場合により事前に製造されたケーシングの切欠部内に配置されており、この切欠部にはルミネセンス変換層を有する被覆体が設けられている。その種の半導体発光素子を従来の生産ラインで量産的に作製できる。このために、ケーシング中への半導体基体の組付後、被覆部材、例えばラッカ層又は射出成形樹脂層、又は熱可塑性材料から成る事前に製造されている被覆板をケーシング上に被着しさえすればよい。オプショナル的にケーシングの切欠部を、透明な材料例えば透明なプラスチックで充填でき、この透明なプラスチックは、殊に半導体基体から放射される光の波長を変化させず、又は必要な場合には既にルミネセンス変換作用をするように構成することができる。
特に簡単な実現可能性に基づき特に有利な本発明の半導体発光素子の発展形態では、半導体基体は、場合により事前に製造された、また必要に応じて既にリードフレームを備えたケーシング内に設けられ、切欠部は少なくとも部分的に透明な射出成形樹脂で充填され、この樹脂には蛍光物質が切欠部の注入前に既に添加されている。従ってここでは、ルミネセンス変換エレメントは、蛍光物質を備えた半導体基体の射出成形体を有する。
ルミネセンス変換エレメントの作製のための特に有利な材料は、１つ又は複数の蛍光物質の添加されているエポキシ樹脂である。但しエポキシ樹脂の代わりに、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を使用することもできる。
ＰＭＭＡには、簡単に有機の色素粒子を混入することができる。緑色、黄色、赤色で発光する本発明の半導体発光素子の作製のため、例えばペリレンをベースとした色素分子を使用できる。紫外線、可視又は赤外線領域で発光する半導体発光素子を４ｆ有機金属化合物の混入によって作製することもできる。殊に赤色に発光する本発明の半導体発光素子を、例えば、Ｅｕ３＋に基づく金属有機性キレート（λ≒６２０ｎｍ）の混合により実現できる。赤外線ビームを放射する半導体発光素子、殊に、赤色を放射する半導体基体を、４ｆキレート又はＴｉ３＋ドーピングされたサファイヤの混入により作製できる。
白色光を放射する本発明の半導体発光素子は、有利に次のようにして作製できる。即ち、半導体基体から放射された青色ビームが補色の波長領域、殊に青と黄、又は加法的色トリオ、例えば青、緑、赤に変換されるように蛍光物質を選定するのである。ここで、黄色光ないし緑色光及び赤色光は蛍光物質を介して生ぜしめられる。これによって生じた白色の色相（ＣＩＥカラーチャートにおける色個所）を、混合及び濃度に関し１つ又は複数の色素の適当な選定により変化させることができる。
白色光を放射する本発明の半導体発光素子の適当な有機の蛍光物質は、例えば、緑のルミネセンスに対してはＢＡＳＦ Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ ０８３、黄のルミネセンスに対してはＢＡＳＦ Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ２４０、赤のルミネセンスに対してはＢＡＳＦ Ｌｕｍｏｇｅｎ Ｆ３００のようなペリレン蛍光物質である。これらの色素を簡単に、例えば透明なエポキシ樹脂に添加することができる。
青色を放射する半導体基体により緑色を放射する半導体基体を作製する有利な方法によればルミネセンス変換エレメントに対して、ＵＯ２ ＋＋置換されたホウケイ酸ガラス（Ｂｏｒｓｉｌｉｋａｔ）を使用する。
本発明の半導体発光素子ないし上述の有利な実施形態の更なる有利な発展形態によれば、ルミネセンス変換エレメント又は構成部品エンベロープの他のビーム透過性のコンポーネントに、付加的に光分散する粒子、いわゆるディフューザ、拡散体が添加される。これによって有利には半導体発光素子の色印象及び放射特性を最適化できる。
本発明の半導体発光素子の特に有利な実施形態では、ルミネセンス変換エレメントは、少なくとも部分的に無機の蛍光物質を有する透明なエポキシ樹脂から成る。即ち、有利には、無機の蛍光物質を簡単にエポキシ樹脂内でバインディングできるからである。白色で発光する本発明の半導体発光素子の作製のための特に有利な無機の蛍光物質はＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）である。この蛍光物質を、殊に簡単に従来のＬＥＤ技術にて使用された透明なエポキシ樹脂内に混入できる。更に、蛍光物質として可能なものは、稀土類でドーピングされたガーネット例えばＹ３Ｇａ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋及びＹ（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋及びＹ（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｔｂ３＋並びに稀土類でドーピングされたアルカリ土類硫化物、例えばＳｒＳ：Ｃｅ３＋、Ｎａ、ＳｒＳ：Ｃｅ３＋、Ｃｌ、ＳｒＳ：ＣｅＣｌ３、ＣａＳ：Ｃｅ３＋及びＳｒＳｅ：Ｃｅ３＋である。
種々の混色の光の生成に適するのは、特に稀土類でドーピングされたチオガレート（Ｔｈｉｏｇａｌｌａｔｅ）、例えば、ＣａＧａ２Ｓ４：Ｃｅ３＋及びＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ３＋である。同様に稀土類でドーピングされたアルミン酸塩、例えばＹＡｌＯ３：Ｃｅ３＋、ＹＧａＯ３：Ｃｅ３＋、Ｙ（Ａｌ，Ｇａ）Ｏ３：Ｃｅ３＋及び稀土類でドーピングされたオルト珪酸塩Ｍ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋（Ｍ：Ｓｃ，Ｙ，Ｓｃ）例えばＹ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋も使用可能である。全てのイットリウム化合物において基本的にイットリウムを、スカンジウム又はランタンで置換できる。
本発明の半導体発光素子の更なる可能な実施形態において、エンベロープの光を透過させる少なくとも全てのコンポーネント、即ち、ルミネセンス変換エンベロープないし変換層も無機の材料だけから成る。従って、ルミネセンス変換エレメントは、無機の蛍光物質から成り、この無機の蛍光物質は温度安定性の透明又は部分的に透明の無機の材料内に埋込まれている。殊に、ルミネセンス変換エレメントは無機の蛍光物質から成り、この無機の蛍光物質は有利には低融点の無機ガラス（例えば珪酸塩ガラス）内に埋込まれている。このようなルミネセンス変換層の有利な作製法はゾル・ゲル技術であり、このゾル・ゲル技術によりルミネセンス変換層全体、即ち無機の蛍光物質のみならず、埋込材料をも１つの作業工程にて作製できる。
半導体基体から放射された第１の波長領域のビームを、ルミネセンス変換された第２の波長領域のビームと混合すること、ひいては放射された光の色均質性を改善するため、本発明によるルミネセンスエンベローブないしルミネセンス変換層及び／又はルミネセンス変換エンベローブの他のコンポーネントの半導体発光素子の有利な実施形態では、青色で発光する色素が添加され、この青色で発光する色素は半導体基体から放射されたビームのいわゆる指向特性を減衰する。指向特性とは、半導体基体から放射されたビームが特定の放射方向を有することを意味する。
本発明の半導体発光素子の有利な実施形態では、放射されたビームの混合の上記目的のため粉末の形態の無機の蛍光物質が使用され、ここで、蛍光物質の粒子はこれを包む材料（マトリクス）内では溶けない。更に、無機の蛍光物質及びこれを包む材料は相互に異なる屈折率を有する。それにより蛍光物質の粒度に依存して、蛍光物質により吸収されなかった光の成分が分散される。それにより、半導体基体から放射されたビームの指向特性が効率的に減衰され、その結果吸収されなかったビーム及びルミネセンス変換されたビームが均質に混合され、このことは空間的に均質の色印象を生じさせる。
白色光を放射する本発明の半導体発光素子は、特に有利には、ルミネセンス変換エンベローブ又は変換層の作製に使用されるエポキシ樹脂に無機の蛍光物質ＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）が混合されていることによって実現できる。半導体基体から放射される青色ビームの一部が無機の蛍光物質Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋により黄色スペクトル領域に、従って、青色に対して補色の波長領域にシフトされる。白色光の色相（ＣＩＥカラーチャートにおける色個所）を色素混合及び色素濃度により変化させることができる。
更に無機の蛍光物質ＹＡＧ：Ｃｅは特に、ほぼ１．８４の屈折率を有する非溶性色素（１０μｍの領域の粒度）であるという特別な利点を有する。これによって波長変換のほかに分散効果も生じ、この分散効果により青色のダイオードビーム及び黄色の変換ビームの混合が生じる。
本発明の半導体発光素子の更なる有利な発展形態では、ルミネセンス変換エレメント又は構成部品エンベローブの他のビーム透過性のコンポーネントに、付加的に光分散性の粒子、いわゆるディフューザ、拡散体が添加される。これによって、有利に半導体発光素子の色印象及び放射特性を更に一層最適化できる。
特別な利点とするところは、白色発光する本発明の半導体発光素子ないしそれの上記の実施形態の発光効率が実質的にＧａＮをベースとして作製された青色発光する半導体基体について白熱灯の発光効率と同等であることである。その理由は、一方ではその種の半導体基体の外部量子収率が数％であり、他方では有機の色素分子の発光効率がしばしば９０％以上のところに定在的に位置していることにある。更に本発明の半導体発光素子は、白熱灯に比して極めて長い耐用寿命、一層より大きい頑丈性及び一層より小さい動作電圧という優れた特長を有する。
本発明の半導体発光素子の肉眼にとって知覚可能な明るさを、ルミネセンス変換エレメントの設けられていないが他の点では同一である半導体発光素子に比して著しく高めることができる。何故ならば視感特性は波長が高くなるほうに向かって増大するからである。
さらに本発明の基本的手法により有利には、可視光ビームのほかに半導体基体から放射される紫外線ビームを可視光に変換できる。これによって、半導体基体から放射される光の明るさが著しく高められる。
半導体基体の青色光を以てのルミネセンス変換のここで論じられるコンセプトを有利に下記のシェーマに従って、多段のルミネセンス変換エレメントに拡大し得る。即ち、紫外線→青色→緑色→黄色→赤色というシェーマに従って拡大し得る。ここでスペクトル的に選択的に放射する複数のルミネセンス変換エレメントが半導体基体に対して相対的に相前後して配置される。
同様に有利に複数の種々の選択的に放射をする色素分子を共に、ルミネセンス変換エレメントの透明なプラスチック内に埋込むことができる。これにより著しく広幅の色スペクトルを生成できる。
ルミネセンス変換材料として、殊にＹＡＧ：Ｃｅが使用されるようにした本発明の白色光を放射する半導体発光素子の特別な利点は、この蛍光物質が青色光で励起の際、吸収と放射との間でほぼ１００ｎｍのスペクトルシフトを生じさせることにある。それにより、蛍光物質から放射された光の再吸収の著しい低減、ひいては一層高い発光効率が得られる。更に、ＹＡＧ：Ｃｅは、有利に高い熱的及び光化学的（例えばＵＶ−）安定性（これは有機の蛍光物質より遥かに高い）を有し、その結果、外部での使用及び／又は高温領域向けの白色光で発光するダイオードも作製可能である。
ＹＡＧ：Ｃｅはこれまで、再吸収、発光効率、熱的及び光化学的安定及び処理性に関して最も適している蛍光物質であることが判明している。但し、他のＣｅドーピングされた蛍光物質、殊にＣｅドーピングされたガーネットも可能である。
特に有利には、本発明の半導体発光素子をそれのわずかな低い消費電力に基づき、フルカラーに適したＬＥＤディスプレイにて、車両内部空間又は航空機キャビンを照明するため、並びに車両計器盤又は液晶指示部のような指示装置を照明するために使用できる。
本発明の更なる特徴点、利点及び有用性は、図１〜１４に関連した９つの実施例に対する以降の説明から明らかとなる。
図１に示す半導体発光素子は、半導体基体１と、背面コンタクト１１と、前面コンタクト１２と、複数の様々の層から成る多層構造７とを有し、この多層構造７は、半導体素子の作動中、１つのビーム（例えば、紫外線、青色又は緑色）を放射する少なくとも１つのアクティブなゾーンを有する。
この実施例及び以下述べる全ての実施例に対する適当な多層構造７を図９に示す。ここで、例えばＳｉＣから成るサブストレート１８上に、ＡｌＮ層又はＧａＮ層１９、ｎ導電形ＧａＮ層２０、ｎ導電形ＧａｘＡｌ１−ｘＮ層又はＧａｘＩｎ１−ｘＮ層２１、更なるｎ導電形ＧａＮ層又はＧａｘＩｎ１−ｘＮ層２２、ｐ導電形ＧａｘＡｌ１−ｘＮ層又はＧａｘＩｎ１−ｘＮ層２３及びｐ導電形ＧａＮ層２４から成る多層構造７が被着されている。ｐ導電形ＧａＮ層２４主面２５上及びサブストレート１８の主面２６上に、それぞれ、コンタクト金属化部２７、２８が被着されている。このコンタクト金属化部２７、２８は、従来、電気的コンタクトのためのオプトエレクトロニクス半導体技術にて使用された材料から成る。
しかしながら、本発明の半導体素子に対して当業者に適当と思われる何れの任意の他の半導体素子をも使用することができる。このことは、以下述べる全ての実施例に対しても成り立つ。
図１の実施例では、半導体基体１は導電性結合手段、例えば、金属性ろう又は接着剤を用いて、第１の電気接続端子２上の背面電極コンタクト１１に取り付けられている。前面電極コンタクト１２は、ボンディング線ワイヤ１４を用いて第２の電気接続端子３に接続されている。
半導体基体１の自由な表面及び電気接続端子２及び３は、直接的にルミネセンス変換エンベローブ５により包囲されている。このルミネセンス変換エンベローブ５は、有利には、透明な発光ダイオードエンベローブに使用可能な透明なプラスチック（有利にはエポキシ樹脂又はポリメタクリル酸メチル）から成り、これには、白色光で発光する構成素子用の蛍光物質６、有利には無機の蛍光物質、有利にはＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ＹＡＧ：Ｃｅ）が添加されている。
図２に示す本発明の半導体発光素子の実施例が図１に示す本発明の半導体発光素子の実施例と相異する点は、半導体基体１及び電気接続端子２及び３の部分領域がルミネセンス変換エンベローブにより包囲されているのではなく、透明なエンベロープ１５により包囲されていることである。この透明なエンベロープ１５は、半導体基体１により放射されたビームの波長変化を生じさせないものであり、例えば、発光ダイオード技術で従来使用されているエポキシ樹脂、シリコン樹脂又はアクリル樹脂又は他の適当なビーム透過性の材料、例えば、無機ガラスから成る。
このエンベローブ１５上にルミネセンス変換層４が被着されており、このルミネセンス変換層４は、図２に示すようにエンベローブ１５の表面全体を被う。同様に、ルミネセンス変換層４がこの表面の単に一部のみを被うことも可能である。ルミネセンス変換層４は、例えば同じく透明なプラスチック（例えば、エポキシ樹脂、ラッカ、又は、ポリメタクリル酸メチル）から成り、これには蛍光物質６が添加されている。この場合も、白色発光する半導体発光素子に対する蛍光物質としては有利にはＹＡＧ：Ｃｅが好適である。
前記の実施例の有する特別な利点とするところは、半導体基体から放射されるビーム全体に対して、ルミネセンス変換エレメントを通る光路長が等しくなることである。このことは殊に、しばしば起こるように、半導体発光素子から放射される光の精確な色相がこの光路長に依存する場合には特別な重要性を有する。
図２のルミネセンス変換層４からの光の一層良好な出力結合のため、構成素子の一方の側面にレンズ状の被覆体２９（破線で示す）を設けることができ、このレンズ状の被覆体２９は、ルミネセンス変換層４内でのビームの全反射を低減するものである。上記のレンズ状の被覆体２９は透明なプラスチック又はガラスから成ってよく、ルミネセンス変換層４上に、例えば接着されたり、又は直接ルミネセンス変換層４の構成部分として構成されてもよい。
図３に示す実施例では第１及び第２電気接続端子２、３は不透過性の、場合によっては事前に製造された基底ケーシング８内に埋込まれている。事前に製造されたとは、半導体基体が電気接続端子２に取付られる前に基底ケーシング８が、既に電気接続端子２、３にて例えば射出成形により仕上がり完了しているということである。基底ケーシング８は、例えば不透過性のプラスチックから成り、切欠部９はそれの形状に関して作動中半導体基体から放射されたビーム（場合により内壁の適当なコーティングにより、）に対する反射器１７として構成されている。そのようなケーシング８は、殊にプリント配線上に表面実装可能な発光ダイオードの場合使用される。上記ケーシングは半導体基体の取付前に、電気接続端子２、３を有する導体バンド（リードフレーム）上に、例えば射出成形により被着される。
切欠部は９はルミネセンス変換層４により被われており、このルミネセンス変換層４としては、例えば、別個に作成されていて、ケーシング上に取り付けられたプラスチックから成る被覆板１７により被われている。ルミネセンス変換層４に対する適当な材料としては同様に明細書冒頭説明部分において説明したプラスチック又は無機ガラスがそこに掲げられた蛍光物質と関連づけて対象と成る。切欠部９は透明なプラスチック、無機ガラス又はガスで充填されても良く、また真空状態にされてもよい。
図２の実施例におけるように、ここでもルミネセンス変換層４からの光の一層良好な出力結合のため、このルミネセンス変換層４上にレンズ状の被覆体２９（破線で示す）を設けることもでき、この被覆体２９はルミネセンス変換層４内でのビームの全反射を低減するものである。この被覆体は透明なプラスチックから成ってよく、ルミネセンス変換層４上に例えば接着したり、又はルミネセンス変換層４と共に一体的に形成されてもよい。
特に有利な実施形態では切欠部９は、図１０に示すように、蛍光物質を有するエポキシ樹脂、即ちルミネセンスエンベローブ５で充填されており、このルミネセンスエンベローブ５はルミネセンス変換エレメントを形成する。被覆体１７及び／又はレンズ状の被覆体２９は省いてもよい。更に、オプショナルであるのは、図１３に示すように第１の電気接続端子２が、例えばスタンピングにより半導体基体１の領域に反射器ウエル３４として構成され、この反射器ウエル３４はルミネセンス変換エンベローブで充填されている。
図４には、更なる実施例としてラジアルダイオードが示されている。ここで、半導体基体１は、第１の電気接続端子２の、反射器として構成された部分１６内に例えばろう付け又は接着により取り付けられている。その種のケーシング構成形態は、発光ダイオード技術では公知であり、従って、説明を要しない。
図４の実施例では半導体基体１は、透明なエンベローブ１５により包囲されており、この透明なエンベロープ１５は２番目に挙げた実施例（図２）におけるように、半導体基体１から放射されるビームの波長変化を生じさせず、従来の発光ダイオード技術で使用される透明なエポキシ樹脂から又は有機ガラスから成っていてよい。
この透明なエンベローブ１５上には、ルミネセンス変換層４が被着されている。その材料としては、例えば、同じく、前述の実施例に関連して述べたプラスチック又は無機ガラスがそこに挙げられた色素と関連づけて対象とされる。
半導体基体１、電気接続端子２、３の部分領域、透明なエンベローブ１５及びルミネセンス変換層４から成る構成全体が、直接的に更なる透明なエンベローブ１０により包囲されており、この更なる透明なエンベローブ１０は、ルミネセンス変換層４を通るビームの波長変化を生じさせない。エンベローブ１０は、例えば、同じく従来の発光ダイオードにて使用された透明なエポキシ樹脂又は無機ガラスから成る。
図５に示す実施例が図４に示す実施例と実質的に相異する点は、半導体基体１の自由な表面が直接的にルミネセンス変換エンベローブ５により被われており、このルミネセンス変換エンベローブ５は同じく、更なる透明なエンベローブ１０により包囲されていることである。更に、図５に例示されている半導体基体１では、下面コンタクトの代わりに更なるコンタクトが半導体多層構造７上に取り付けられており、この更なるコンタクトは第２のボンディング線ワイヤ１４を用いて、所属の電気接続端子２又は３に接続されている。勿論、その種の半導体基体１は他の全ての実施例においても使用可能である。勿論逆に図５の実施例においても、前述の実施例による半導体基体１が使用可能である。
念のため、ここで付言すべきことには勿論、図５の構成形態においても図１の実施例に類似して、一体的なルミネセンス変換エンベローブ５−これは、ルミネセンス外囲器エンベローブ５と更なる透明なエンベローブ１０との組合せ結合体にとって代わる−を使用できるということである。
図６の実施例では、ルミネセンス変換層４（上述のような材料）は、直接半導体基体１上に被着されている。この半導体基体１及び電気接続端子２、３はルミネセンス変換層４を通ってもビームの波長変化を生じさせない透明なエンベローブ１０により包囲されており、例えば、発光ダイオード技術にて使用可能な透明なエポキシ樹脂又はガラスから作られている。
エンベローブなしで、ルミネセンス変換層４を備えた半導体基体１を勿論、発光ダイオード技術から公知の全てのケーシング構成形態（例えばＳＭＤケーシング、ラジアル（Ｒａｄｉａｌ）ケーシング（図５を比較参照のこと））にて有利に使用できる。
図１４に示す本発明の半導体発光素子の実施例では、半導体基体１上に透明なウエル部３５が配置されており、このウエル部３５は半導体基体１上方にウエル３６を有する。ウエル部３５は透明なエポキシ樹脂又は無機ガラスから成り、そして例えば半導体基体１を含めて電気接続端子２、３の射出成形により作られている。このウエル３６内にはルミネセンス変換層４が配置されており、このルミネセンス変換層４は、例えば同じくエポキシ樹脂又は無機ガラスから製造されており、上記の無機の蛍光物質のうち１つからなる粒子３７がこれに包含されている。この構成形態の場合、有利には著しく簡単に次のことが確保される。即ち、蛍光物質が半導体基体の作製の際、設定されてない個所、例えば、半導体基体の傍らにて集結することが確保される。勿論、ウエル部分３５は別個に作製することもでき、例えばケーシング部分において半導体基体１上方に取り付けることもできる。
上述の実施例の全てにおいて、放射された光の色印象の最適化のため及び放射特性の適合化のため、ルミネセンス変換エレメント（ルミネセンス変換エンベロープ５又はルミネセンス変換層４）、場合により透明なエンベロープ１５及び／又は場合により更なる透明なエンベローブ１０は有利には、いわゆるディフューザ、拡散体を有し得る。その種のディフューザの例は、ミネラル性の充填物質、殊に、ＣａＦ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＣａＣＯ３又はＢａＳＯ４又は有機の色素である。これらの材料を簡単に上述のプラスチックに添加することができる。
図７、８及び１２には、青色を放射する半導体基体（図７）（λ〜４３０ｎｍのときルミネセンス最大値）ないしそのような半導体基体を用いて作製された白色発光する本発明の半導体発光素子（図８及び１２）の放射スペクトルが示してある。横座標にはそれぞれ波長λが単位ｎｍで、縦座標にはそれぞれ相対的なエレクトロルミネセンス（ＥＬ）強度がプロットしてある。
半導体基体から放射される図７に示すビームうち単に一部のみが比較的長い波長領域に変換され、その結果混合色として白色光が生じる。図８中の破線は、次のような本発明の半導体発光素子からの放射スペクトルを表す。即ち２つの相補的波長領域（青と黄）から成るビーム、ひいては全体の白色光を放射する本発明の半導体発光素子からの放射スペクトルを表す。ここで、放射スペクトルは、ほぼ４００ｎｍとほぼ４３０ｎｍとの間（青）の時、そして、ほぼ５５０ｎｍとほぼ５８０との間（黄）の時それぞれ最大値を有する。実線３１は、３つの波長領域（加法的色トリオ青、緑、赤）から成る白色を混合する本発明の半導体発光素子の放射スペクトルを表す。ここで、放射スペクトルは例えばほぼ４３０ｎｍ（青）、ほぼ５００ｎｍ（緑）及びほぼ６１５ｎｍ（赤）の波長の時それぞれ最大値を有する。
更に、図１１中には青色光（ほぼ４７０ｎｍの波長の時最大値）及び赤色光（ほぼ６２０ｎｍの波長の時最大値）を放射する本発明の半導体発光素子の放射スペクトルを示す。肉眼にとっての放射された光の全色印象はマゼンタである。半導体基体から放射される放射スペクトルは、同じく図７のそれに相応する。
図１２は、図７の放射スペクトルを放射する半導体基体を備え、蛍光物質としてＹＡＧ：Ｃｅが使用されている白色発光する、本発明の半導体発光素子の放射スペクトルを示す。半導体基体から放射される図７のビームのうち単に一部のみが比較的長い波長領域に変換され、その結果色の混合ないし混色として白色光が生じる。図８の種々の破線３０から３３は、次のような本発明の半導体発光素子の放射スペクトルを示す。即ち、ルミネセンス変換エレメント、本事例ではエポキシ樹脂から成るルミネセンス変換エンベローブが種々のＹＡＧ：Ｃｅ濃度を有する本発明の半導体発光素子の放射スペクトルを示す。各放射スペクトルはλ＝４２０ｎｍとλ＝４３０ｎｍとの間、即ち青色スペクトル領域において、そしてλ＝５２０ｎｍとλ＝５４５ｎｍとの間、即ち緑色スペクトル領域においてそれぞれ強度最大値を有し、ここで、比較的長い波長の強度最大値を有する放射バンドは大部分黄色スペクトル領域内に位置する。図１２のダイヤグラムから明らかなように、本発明の半導体発光素子では簡単にエポキシ樹脂における蛍光物質の濃度の変化により、白色光のＣＩＥ色個所を変化させることができる。
更にＣｅドーピングされたガーネット、チオガレート、アルカリ土類硫化物及びアルミン酸塩をベースとする無機の蛍光物質をエポキシ樹脂又はガラス内に分散させずに、これらの蛍光物質を直接半導体基体上に被着することができる。
上述の無機の蛍光物質の更なる特別な利点とするところは、蛍光物質の濃度が、例えばエポキシ樹脂中で有機の色素におけるとは異なって溶性により制限されないことである。それにより、ルミネセンス変換エレメントの大きな厚さは必要ない。
上述の実施例に即しての本発明の半導体発光素子の説明は、勿論、この実施例に限定されるものではない。例えば発光ダイオードチップ又はレーザダイオードチップのような半導体基体とは、例えば相応のビームスペクトルを放射するポリマＬＥＤとも解すべきものである。
本発明の半導体発光素子の第１実施例の断面略図である。 本発明の半導体発光素子の第２実施例の断面略図である。 本発明の半導体発光素子の第３実施例の断面略図である。 本発明の半導体発光素子の第４実施例の断面略図である。 本発明の半導体発光素子の第５実施例の断面略図である。 本発明の半導体発光素子の第６実施例の断面略図である。 Ｇａをベースとした多層構造を有する青色光を放射する半導体基体からの放射スペクトルの概略的特性図である。 白色光を放射する２つの本発明の半導体発光素子の放射スペクトルの概略的特性図である。 青色光を放射する半導体基体の断面略図である。 本発明の半導体発光素子の第７実施例の断面略図である。 色の混合ないし混色の赤色光を放射する本発明の半導体発光素子の放射スペクトルの概略的特性図である。 白色光を放射する本発明の更なる半導体発光素子の放射スペクトルの概略的特性図である。 本発明の半導体発光素子の第８実施例の断面略図である。 本発明の半導体発光素子の第９実施例の断面略図である。
符号の説明
１ 半導体基体、 ２，３ 電気接続端子、 ４ ルミネセンス変換層、 ５ ルミネセンス変換エンベロープ、 ６ 蛍光物質、 ７ 半導体多層構造、 ８ 基底ケーシング、 ９ 切欠部、 １０，１５ 透明なエンベロープ

Claims (31)

  1. 半導体発光素子の作動中に電磁ビームを放射する半導体基体（１）と、該半導体基体（１）と導電的に接続されている少なくとも１つの第１の電気接続端子（２）及び少なくとも１つの第２の電気接続端子（３）と、少なくとも１つの蛍光物質を有するルミネセンス変換エレメントとを備えた半導体発光素子において、
    前記半導体基体（１）は半導体多層構造（７）を有し、該半導体多層構造（７）は前記半導体発光素子の作動中に、少なくとも紫外線スペクトル領域又は青色スペクトル領域又は緑色スペクトル領域から成るビームを包含する第１の波長領域の電磁ビームを放射し、
    前記ルミネセンス変換エレメントは、前記第１の波長領域に由来するビームを該第１の波長領域とは異なる第２の波長領域に変換し、前記半導体発光素子は前記第１の波長領域のビーム及び前記第２の波長領域のビームから成る混合ビームを放射し、
    前記半導体基体（１）から放射されたビームが、λ≦５２０ｎｍの波長のもとで相対的なルミネセンス強度最大値を有し、ルミネセンス変換エレメントによりスペクトル的に選択的に吸収された波長領域は該強度最大値から外れたところに位置することを特徴とする、半導体発光素子。
  2. 前記ルミネセンス変換エレメントは、前記第１の波長領域のビームを、相互に異なるスペクトル部分領域から成る複数の第２の波長領域のビームに変換し、前記半導体発光素子は前記第１の波長領域のビーム及び第２の波長領域のビームから成る混合ビームを放射する、請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記ルミネセンス変換エレメントは前記半導体発光素子の主放射方向で見て、実質的に前記半導体基体（１）の後方に配置されている、請求項１又は２記載の半導体発光素子。
  4. ルミネセンス変換エレメントとして、前記半導体基体（１）上に、又はその上方に少なくとも１つのルミネセンス変換層（４）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  5. ルミネセンス変換エレメントとしてルミネセンス変換エンベロープ（５）が設けられており、該ルミネセンス変換エンベロープ（５）は前記半導体基体（１）の少なくとも一部分及び前記電気接続端子（２、３）の部分領域を包囲する、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  6. １つないし複数の前記第２の波長領域は、少なくとも部分的に、前記第１の波長領域よりも大きい波長λを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  7. 前記第１の波長領域は可視光を包含し、前記混合ビームの第１の波長領域の該可視光及び第２の波長領域は相互に補色関係にあるスペクトル領域内に位置しており、それにより白色光が生成される、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  8. 前記半導体基体から放射された可視光及び２つの第２の波長領域が１つの加法的色トリオを生じさせ、前記半導体発光素子の作動中に該半導体発光素子から白色光が放射される、請求項２又は請求項３から６までのいずれ１項と結合された請求項２記載の半導体発光素子。
  9. 前記半導体基体（１）から放射されたビームが、λ≦５２０ｎｍの波長、殊に４２０ｎｍ〜４６０ｎｍの波長の青色スペクトル領域のもとでルミネセンス強度最大値を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  10. 前記半導体基体（１）は基底ケーシング（８）の切欠部（９）内に配置されており、該切欠部（９）にはルミネセンス変換層（４）を有する被覆体層が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  11. 前記半導体基体（１）は基底ケーシング（８）の切欠部（９）内に配置されており、該切欠部（９）は少なくとも部分的にルミネセンス変換エレメントにより充填されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  12. 前記ルミネセンス変換エレメントは、種々の波長変換特性を備えた複数の層を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  13. 前記ルミネセンス変換エレメントは、プラスチックのマトリクス内に有機の色素分子を有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  14. 前記ルミネセンス変換エレメントは、エポキシ樹脂のマトリクス内に有機の色素分子を有する、請求項１３記載の半導体発光素子。
  15. 前記ルミネセンス変換エレメントは、ポリメタクリル酸メチルのマトリクス内に有機の色素分子を有する、請求項１３記載の半導体発光素子。
  16. 前記ルミネセンス変換エレメント（４、５）は少なくとも１つの無機の蛍光物質（６）を有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  17. 前記無機の蛍光物質は、希土類でドーピングされたガーネット、希土類でドーピングされたアルカリ土類硫化物、希土類でドーピングされたチオガレート、希土類でドーピングされたアルミン酸塩、希土類でドーピングされたオルト珪酸塩を包含するグループのうちのものである、請求項１６項記載の半導体発光素子。
  18. 前記無機の蛍光物質は、Ｃｅドーピングされたガーネットのグループのものである、請求項１７記載の半導体発光素子。
  19. 前記無機の蛍光物質は、熱可塑性材料又は熱硬化性材料から成るマトリクス内に埋込まれている、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  20. 前記無機の蛍光物質は低融点の無機ガラスから成るマトリクス内に埋込まれている、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  21. 前記無機の蛍光物質はシリコン材料から成るマトリクス内に埋込まれている、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  22. 前記無機の蛍光物質は、前記半導体基体（１）上に直接被着されている、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  23. 前記無機の蛍光物質は１０μｍの平均の粒子の大きさを有する、請求項１６から２２までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  24. 前記ルミネセンス変換エレメントには、複数の種々の有機及び／又は無機の蛍光物質（６）が設けられている、請求項１から２３までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  25. 前記ルミネセンス変換エレメントは波長変換作用を持つ及び波長変換作用の無い、有機及び／又は無機の色素分子を有する、請求項１から２４までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  26. 前記ルミネセンス変換エレメント及び／又は付加的に設けられている透明なエンベロープ（１０、１５）は光分散性の粒子を有する、請求項１から２５までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  27. 前記ルミネセンス変換エレメントには、１つ又は複数の発光する４ｆ有機金属化合物が設けられている、請求項１から２６までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  28. 前記ルミネセンス変換エレメント及び／又は透明なエンベロープ（１０、１５）には、青色で発光する少なくとも１つの蛍光物質が設けられている、請求項１から２７までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
  29. 請求項１から２８までのいずれか１項記載の半導体発光素子を複数有する、ＬＥＤ表示装置。
  30. 請求項１から２８までのいずれか１項記載の半導体発光素子を複数有する、照明装置。
  31. 請求項１から２８までのいずれか１項記載の半導体発光素子を少なくとも１つ有する、液晶表示部の照明装置。
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