JP5484070B2 - 混合光を生成するための装置、および該装置の製造方法 - Google Patents

Description

本願は、独国特許出願第１０２００７００３８０８．０号および独国特許出願第１０２００７００６３４９．２号の優先権を主張するものであり、その開示内容は引用によって本願の開示内容に含まれるものとする。

本発明は、混合光を少なくとも１つの半導体素子によって生成するために使用される装置、ないしは該装置の製造方法に関する。

現在、多くの分野で混合光源が使用される。たとえば画像再生技術ないしは投影技術の分野において、また、たとえば懐中電灯等の簡単な用途でも、混合光源が見られる。このような混合光源の使用に依存して、種々の色の混合光源が生成される。

懐中電灯で使用するためには、混合光源は有利には白色光源として構成される。その際には、可視波長領域の可能な限り多くの波長を同時に生成および送出すること、すなわち３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可能な限り多くの波長を同時に生成および送出することを目的とする。混合光源をエネルギー蓄積器によって動作させるためには、高色忠実度の他に、エネルギー収支が非常に良好であることが有利である。このことによって、照射されるオブジェクトを可能な限り高信頼性で反射し、オブジェクトの通常の客観的な知覚が得られることが保証される。また、混合光源の長時間動作を維持するためには、エネルギー効率が高いことが有利である。

混合光源は現在、半導体によって生成され、それと同時にいわゆる原色を加法的に重畳を行うことによって生成されることが多い。この原色は、たとえばＬＥＤ等である発光半導体チップによって生成された電磁放射であり、この電磁放射は、可視波長領域に対して比較的狭幅の波長領域の電磁放射である。たとえば６２５ｎｍ〜７４０ｎｍの領域内の波長を生成すると赤色になり、５２０ｎｍ〜５６５ｎｍの領域内の波長を生成すると緑色になり、４５０ｎｍ〜５００ｎｍの領域内の波長を生成すると青色になる。また、別の波長領域も考えられる。このような色を異なる組み合わせで同時に重畳することにより、種々の色の混合光が生成される。

このような原色の重畳は、従来は加法混色によって行われていた。たとえば画像再生ないしは投影技術では、赤色、緑色および青色のサブピクセルすなわち画素の下位要素を異なって駆動制御する。このような駆動制御によって、これらの色が異なって重畳される。観察者が画像再生機器ないしは投影面から十分に離れている場合にこのような画素の数が多いと、加法混色によって多色画像の印象が得られる。

さらに、混合光源を生成するために別の手段が適用される。その際にはたいてい、所定の狭幅の波長領域の電磁放射を送出する半導体素子を使用する。この放射は以下では１次放射と称される。その際には、この電磁放射は必ずしも、完全または部分的に可視波長領域内になくてもよい。この放射はルミネセンス変換エレメントによって少なくとも部分的に２次波長に変換される。

この１次放射を生成するためには、半導体素子内に存在する半導体チップのｐｎ接合部の活性層にたとえば異なってドーピングする。エネルギーレベルスキームのこのようにして得られた異なるエネルギーレベル差はバンドギャップとも称され、このようなエネルギーレベル差によって、異なる波長の光が放出される。この送出される光の波長はエネルギーレベル差に直接依存し、ドーピングによって条件付きで調整することができる。

半導体チップの送出された１次波長は、ルミネセンス変換エレメントによって少なくとも部分的に２次波長に変換される。ここで重要なのは、変換される光子すべてを新しい２次波長に同様に変換するためには、半導体チップの１次放射の送出される光子すべてがルミネセンス変換エレメント内で通る距離が光学的に等しくなるように、該１次放射の射線経路に該ルミネセンス変換エレメントを挿入することである。

ルミネセンス変換エレメントによってこの１次波長を２次波長に変換する半導体素子は、非常に高コストかつ面倒な工程で製造される。このような半導体素子の製造で目的とされることはとりわけ、生成される混合光の波長スペクトルが該半導体素子の放射領域全体にわたって可能な限り一定になるように、ルミネセンス変換エレメントを発光半導体チップの射線経路に挿入することである。波長スペクトルを一定にするためには、現在はスクリーン印刷法および沈殿法を使用するのが普通である。また、ルミネセンス変換エレメントを発光半導体チップから空間的に分離する別の手法もある。

スクリーン印刷法で製造する際にはたとえば、半導体チップのコンタクト面が露出状態に維持されることを保証しなければならない。こうするためには、ボンディング場所を除染する必要がある。さらに、発光半導体チップの側縁長が短いという別の問題もある。また、数μｍでは、蛍光体を半導体チップに直接配置するのは現在のところ困難である。このような製造手法、ならびにこのような製造手法に必要な製造機器の洗浄は面倒であるために非常に高コストである。

混合光源を沈殿法によって製造するためには、蛍光体を樹脂と混合してチップ表面に配置しなければならない。ここでは、両物質の粘性が異なることを利用する。時間が経過すると、蛍光体材料が希薄な樹脂から沈殿して両物質が分離することにより、両物質は相互に分離される。また、所定の閾値温度になると蛍光体が沈殿する温度処理によっても、粘性を制御することもできる。

これら双方の手法によって、半導体素子全体の放射特性に対して、放出される混合光波長の波長スペクトルの変動が可能な限り小さく抑えられるように、蛍光体を配置することができる。しかし、これらの手法の欠点は、一定にするための手間が大きいことである。

本発明の課題は、簡単な処理条件で生成でき、かつ安定的な波長スペクトルを有する混合光を生成することである。さらに、放射場所にわたって送出される混合光の波長スペクトルの変動を可能な限り小さくし、エネルギー効率を高くしなければならない。前記課題は、独立請求項に記載された特徴によって解決される。

本発明では混合光を生成するために、１次電磁放射を送出する少なくとも１つの半導体チップを有する装置を提供する。この半導体チップは、射線経路にルミネセンス変換エレメントと結合エレメントと担体エレメントとを有する。この担体エレメントはルミネセンス変換エレメントを成形するエレメントであり、ルミネセンス変換エレメントは担体エレメントによって射線経路に挿入される。ここで有利なのは、成形によってルミネセンス変換エレメントを射線経路に挿入する担体エレメントである。

さらに、混合光を生成する装置の製造方法も提供する。この装置では、半導体チップによって生成された１次電磁放射をルミネセンス変換エレメントによって少なくとも部分的に２次電磁放射に変換する。このルミネセンス変換エレメントは、担体エレメントにおいてルミネセンス変換エレメントが均質に分布するように、該担体エレメントによって半導体チップの１次放射の射線経路に位置決めてこれと結合される。結合エレメントおよび担体エレメントが、送出すべき混合光波長に対して透過性になるように両エレメントを有利に形成することによって、混合光の最大透過率が実現される。このように装置を製造することによって、このような装置の製造プロセスが格段に簡単になる。

従属請求項に本発明の別の有利な構成が記載されている。

所定の波長の混合光を生成するためには、半導体チップによって実現される装置を提案する。少なくとも１つの半導体チップが射線経路にルミネセンス変換エレメントを有し、該半導体素子が１次波長を送出する場合。この１次電磁放射は少なくとも部分的に２次電磁放射に変換される。このような装置の利点は、複数の半導体素子を使用する代わりに１つの半導体素子を使用して混合光を生成できることである。このような成形を行う担体エレメントがルミネセンス変換エレメントを射線経路に挿入することにより、送出される混合光の波長領域が放射場所にわたって一定になる。

ルミネセンス変換エレメントを担体エレメント内に位置決めすることによって、所期のように位置決めし、１次放射の変換を最大にすることができる。有利には担体エレメントは、ルミネセンス変換エレメントが均質に分布されるように成形される。このことによって均質なルミネセンス変換層が生成され、変換エレメントによって変換すべき光子すべての光学的距離が一定になる。

ルミネセンス変換エレメントを、担体エレメントに形成されたキャビティ内に配置することにより、精確な位置決めを行うことができる。このような構成の利点は、この構成をプロセス技術的に簡単に実現できることである。また、このキャビティ内に結合エレメントを挿入することができる。担体エレメントのキャビティの形状によって、この結合エレメントも均質に配置して分布させ、１次電磁放射の光子がこの結合剤を通過して伝搬するときの光学的伝搬距離を一定にすることができる。このようにしてこれらの光子は、２次電磁放射の光を送出する。

ルミネセンス変換エレメントを蛍光体の形態で形成することにより、該ルミネセンス変換エレメントを樹脂混合物とともに半導体チップの射線経路に挿入することができる。

担体エレメントを光学的エレメントとして形成することにより、たとえばレンズ作用を生じさせるために、放射される混合光波長を光学的に偏向することができる。このようにして、放射場所における送出すべき混合光の波長領域の変動が補償され、さらに、半導体素子のエネルギー効率をより高くすることができる。

有利には、半導体チップの表面および結合エレメントの表面は平坦に形成される。このことによって、表面の法線に対して平行に光を送出することができ、１次電磁放射の散乱光が阻止される。結合エレメントを、送出すべき混合光に対して透過性に形成すると、さらに有利である。このことによってエネルギー効率が増大される。というのも、結合エレメントはエネルギーを吸収しないからである。担体エレメントと半導体チップとを結合する結合エレメントの必要な保持力は、たとえば接着または押圧力および引張力によって生成される。

以下で、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について説明する。この場合、同じ構成要素または同じ機能を有する構成要素の図にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。また、図示されている構成要素は縮尺どおりに描かれたものではなく、理解を深める目的でむしろ個々の構成要素が過度に大きく、簡略化して描かれている場合もある。

ルミネセンス変換エレメントおよび結合エレメントに対するキャビティを有する担体エレメントの概略図である。 混合光を生成するための装置の第１の実施例を示す概略図である。 混合光を生成するための装置の第２の実施例を示す概略図である。

図１に、ルミネセンス変換エレメント３および結合エレメント４に対するキャビティ２を有する担体エレメント１が概略的に示されている。

担体エレメント１はここでは半球の形状で形成されている。同図では、この半球の中心点の２次元の断面が示されている。この半球の基面は、同時に半導体チップ５とのコンタクト面でもあり、この基面では表面は平坦に形成されず、開放されたキャビティ２が形成される。このキャビティは３つの部分空間２ａ，２ｂおよび２ｃに分割され、これらの部分空間は、基面に対して平行な異なる平面にある。ここでは部分空間２ｂおよび２ｃは同一平面にある。半球の中心点から遠くに離れたキャビティ２ａの平面が、ルミネセンス変換エレメント３を配置および位置決めするのに使用される。キャビティ２ｂは結合エレメント４を位置決めおよび配置するのに使用され、キャビティ２ｃはボンディングワイヤ５ｂのための位置決めホルダとなる。

図２は、混合光を生成するための装置の第１の実施例を示す概略図である。図２ａには、図１で紹介された担体エレメント１の形状が改めて示されている。調量ユニット７ａによって、ルミネセンス変換エレメント３が図２ｂでは、該ルミネセンス変換エレメント３のために設けられたキャビティ内に配置される。

図２ｃではさらに、この装置の別の調量ユニット７ｂによって結合エレメント４が付け足され、結合エレメント４はそのために設けられたキャビティ２ｂ内に挿入される。この実施例では、接着材の形態の結合エレメントが使用される。ルミネセンス変換エレメント３はここですでにキャビティ２ａ内に位置決めされている。図２ｄでは、ルミネセンス変換エレメント３および結合エレメント４が配置されて均質に設けられた担体エレメント１が示されている。図２ｅでは、コンタクト端子５ａとボンディングワイヤ５ｂとケーシング５ｃと半導体チップ５ｄとから成るＬＥＤ支持体５が、組立ステップ６で２ｄの構成と組み合わされる。図２ｆに、担体エレメント１と蛍光体３と結合エレメント４とＬＥＤ支持体５とから成る完全な装置が示されている。

結合エレメントは保持力を加えるために使用されることに留意すべきである。図２の実施形態では、結合エレメントは接着力を与えるエレメントとして設けられ、たとえば接着材として設けられ、これによって、ＬＥＤ支持体５と担体エレメント１との間に理想的には原子レベルで保持力が得られる。

図２に示された実施例では、キャビティはルミネセンス変換エレメント３および結合エレメント４を配置し、両エレメントを均質に配置するために使用される。図２では、平坦に挿入された両エレメントを認識できる。理想的には、半導体チップ５ｅの表面も平坦である。このような構成によって有利には、表面の法線に対して平行に１次放射が送出される。

このようにしてキャビティの精確な形状により、たとえばスクリーン印刷や沈殿法等の面倒な工程を必要とせずに、両エレメント３および４を配置して位置決めし、均質に配置することができる。両材料をこのように均質に配置することにより、射線経路の各区間で送出される１次波長は、両エレメント３および４を通過する際に等しい光学的距離をとるようになり、少なくとも部分的に、１次放射中に主に含まれる１次波長は、変換後の２次放射に含まれる２次波長に変換される。

担体エレメントがさらに、たとえば散乱レンズまたは集光レンズ等の光学的エレメントとして形成されている場合、混合光は光学的に偏向され、かつ、集束されて光強度が上昇される。このようにして得られたジオメトリにより、生成される混合光の波長領域の変動は最小になる。

図３は、混合光を生成するための装置の第２の実施例を示す概略図である。上図との重要な相違点は、担体エレメント１の形状である。この図では、キャビティ２はルミネセンス変換エレメント３およびボンディングワイヤ５ｂに対してのみ設けられている。図３ｂは図２ｃと等価である。図３ｃでは、ルミネセンス変換エレメント３が設けられた担体エレメント１がＬＥＤ担体５と組み立てられる６。図３ｄには、担体エレメント１とＬＥＤ担体５とルミネセンス変換エレメント３と結合エレメント４とを有する完全な装置が示されている。

この実施例では、半導体チップ５ｅおよび担体エレメント１のジオメトリは、組み合わされたとき６にプレス嵌めされるように選択される。このように組み立てることによって保持力が生成され、この保持力は、半導体チップ５ｅの接触面と担体エレメント１の接触面との摩擦だけで生じる。このような機械的な保持力は付加的に、アンダーカット、特別な幾何学的成形、係止、付加的な機械的保持エレメント等によって生成するかまたは上昇することができる。これらは詳細に図示されていない。

上記の本発明は、混合光を生成するのに使用される装置と、該装置の製造方法とに関する。ここでは、１次電磁放射を送出する半導体チップは、１次放射の射線経路にルミネセンス変換エレメントを有する。さらに本装置は、結合エレメントおよび担体エレメントを有し、該担体エレメントは前記ルミネセンス変換エレメントおよび該結合エレメントを担持して成形する。

Claims (14)

1. 混合光を生成するための装置において、
   １次電磁放射を送出する少なくとも１つの半導体チップ（５ｅ）と、該半導体チップ（５ｅ）の１次電磁放射の射線経路に設けられたルミネセンス変換エレメント（３）と、結合エレメント（４）と、該ルミネセンス変換エレメント（３）を成形する担体エレメント（１）とを有し、
   前記ルミネセンス変換エレメント（３）は前記結合エレメント（４）によって前記半導体チップ（５ｅ）に結合され、前記担体エレメント（１）によって前記射線経路に挿入されており、
   前記ルミネセンス変換エレメント（３）を配置するために前記担体エレメント（１）にキャビティ（２）が設けられており、該キャビティ（２）内に前記ルミネセンス変換エレメント（３）と前記結合エレメント（４）とが設けられ、
   前記キャビティ（２）は３つの部分空間に分割されており、該３の部分空間（２ａ，２ｂ，２ｃ）はそれぞれ、基面に対して平行な別個の平面に存在し、 前記担体エレメント（１）の前記キャビティ（２）の前記３つの部分空間（２ａ，２ｂ，２ｃ）のうちの一つの部分空間は、前記結合エレメント（４）の位置決めに使用され、前記３つの部分空間（２ａ，２ｂ，２ｃ）のうちの他の一つの部分空間は、前記ルミネセンス変換エレメント（３）の位置決めに使用され、
   前記半導体チップ（５ｅ）はＬＥＤ支持体（５）に結合されており、
   前記ルミネセンス変換エレメント（３）は前記担体エレメント（１）によって前記半導体チップ（５ｅ）に対して位置決めされており、
   前記結合エレメント（４）は、前記担体エレメント（１）と前記ＬＥＤ支持体（５）との間の保持力を接着によって生成することを特徴とする装置。
2. 前記ルミネセンス変換エレメント（３）は前記１次電磁放射を少なくとも部分的に２次電磁放射に変換する、請求項１記載の装置。
3. 前記ルミネセンス変換エレメント（３）は均質に配置されるように、前記担体エレメント（１）によって成形される、請求項１または２記載の装置。
4. 前記ルミネセンス変換エレメント（３）は蛍光体の形態で形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記担体エレメント（１）は光学的エレメントである、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記半導体チップ（５ｅ）の表面は平坦である、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記結合エレメント（４）の表面は平坦である、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記結合エレメント（４）は、送出すべき前記混合光（４）に対して透過性である、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 混合光を生成するための装置の製造方法において、
   １次電磁放射を送出する少なくとも１つの半導体チップ（５ｅ）を設け、
   担体エレメント（１）に設けられたキャビティ（２）にルミネセンス変換エレメントと結合エレメントを設けることにより、該担体エレメント（１）によって該ルミネセンス変換エレメント（３）を該１次電磁放射の射線経路に位置決めし、該結合エレメント（４）によって該ルミネセンス変換エレメント（３）を該半導体チップ（５ｅ）に結合し、
   前記キャビティ（２）は３つの部分空間（２ａ，２ｂ，２ｃ）に分割され、
   該部分空間（２ａ，２ｂ，２ｃ）はそれぞれ、基面に対して平行な別個の平面に存在し、
   前記担体エレメント（１）の前記キャビティ（２）の前記３つの部分空間（２ａ，２ｂ，２ｃ）のうちの一つの部分空間を、前記結合エレメント（４）の位置決めに使用し、前記３つの部分空間（２ａ，２ｂ，２ｃ）のうちの他の一つの部分空間を、前記ルミネセンス変換エレメント（３）の位置決めに使用し、
   前記半導体チップ（５ｅ）はＬＥＤ支持体（５）に結合し、
   前記ルミネセンス変換エレメント（３）を前記担体エレメント（１）によって前記半導体チップ（５ｅ）に対して位置決めし、
   前記結合エレメント（４）は、前記担体エレメント（１）と前記ＬＥＤ支持体（５）との間の保持力を接着によって生成することを特徴とする製造方法。
10. 前記ルミネセンス変換エレメント（３）を前記キャビティによって均質に配置する、請求項９記載の製造方法。
11. 前記結合エレメント（４）を前記担体エレメント（１）のキャビティ（２）内に位置決めし、均質に配置する、請求項９または１０記載の製造方法。
12. 生成された前記混合光は、前記結合エレメント（４）および前記担体エレメント（１）によって最大に透過される、請求項９から１１までのいずれか１項記載の製造方法。
13. 前記半導体チップ（５ｅ）、前記結合エレメント（４）および前記担体エレメント（１）は平坦な表面を有する、請求項９から１２までのいずれか１項記載の製造方法。
14. 前記担体エレメント（１）は、生成された混合光を光学的に偏向する、請求項９から１３までのいずれか１項記載の製造方法。

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