JP5544369B2 - オプトエレクトロニクス部品 - Google Patents

Description

オプトエレクトロニクス部品を開示する。

国際公開第２００７／１４８２５３号 米国特許出願第２００７／０２８１８５１号明細書

本発明の１つの目的は、特に、動作時に特に高い演色評価数を有する光を放出するオプトエレクトロニクス部品を開示することである。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、本オプトエレクトロニクス部品は、少なくとも２個の放射放出半導体チップが上に配置されている接続キャリアを備えている。

接続キャリアはプリント基板であり、例えば、このプリント基板の上または内部に、放射放出半導体チップとの電気接続を形成する電気導体トラックおよび電気接続部が配置されており、放射放出半導体チップを機械的に固定する役割も果たす。接続キャリアは、実質的に平面的な板形状として具体化することができる。すなわち、この場合、接続キャリアは、放射放出半導体チップが中に配置される空洞を備えていない。さらには、接続キャリアをリードフレームとすることが可能であり、リードフレームの上に放射放出半導体チップを配置することができる。特に、この場合、接続キャリアは、放射放出半導体チップを受け入れるための少なくとも１つの空洞を有することも可能である。

放射放出半導体チップは、ルミネセンスダイオードチップ、すなわち、発光ダイオードチップまたはレーザダイオードチップであることが好ましい。放射放出半導体チップは、紫外スペクトル範囲または可視スペクトル範囲の電磁放射を生成するのに適していることが好ましい。

本出願の出願書類に記載したオプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、本部品は、変換要素を備えている。変換要素は、オプトエレクトロニクス部品の構成要素であり、ルミネセンス変換物質を含んでいる、またはルミネセンス変換物質から形成されている。

例えば、動作時に放射放出半導体チップの少なくとも１個によって生成された電磁放射が変換要素に入射するとき、変換要素のルミネセンス変換物質によって、電磁放射を完全に、または一部分を吸収することができる。ルミネセンス変換物質は、動作時に少なくとも１個の放射放出半導体チップによって放出される電磁放射とは異なる、好ましくはより高い波長を有する電磁放射を再放出する。一例として、動作時に放射放出半導体チップの少なくとも１個によって生成される青色スペクトル範囲の電磁放射は、変換要素を通過するとき、一部が黄色スペクトル範囲の電磁放射に変換される。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、変換要素は、放射放出半導体チップのすべてが変換要素および接続キャリアによって囲まれているように、放射放出半導体チップを包囲している。すなわち、変換要素は、少なくとも２個の放射放出半導体チップの上方に、例えば半球状に延在している。言い換えれば、放射放出半導体チップは接続キャリアと変換要素との間に配置されている。変換要素は、例えば、半導体チップの上に空洞を形成している。放射放出半導体チップは、その取り付け面によって例えば接続キャリアに固定されている。放射放出半導体チップは、その側面と、取付面とは反対側の放射出口面とにおいて、変換要素によって囲まれている。この場合、変換要素は半導体チップに直接隣接していないことが好ましく、半導体チップと変換要素は互いに接触していない。すなわち、半導体チップの少なくとも放射出口面は、変換要素から隔てられており、変換要素に直接接触していないことが好ましい。

変換要素は、マトリックス材料を備えていることができ、マトリックス材料の中に例えばルミネセンス変換物質が導入されている。

変換要素は、機械的に自立性である（mechanically self-supporting）ように具体化されていることが好ましい。変換要素は、例えば、放射放出半導体チップを包囲している自立性の半球または殻体として具体化することができる。

本部品の少なくとも一実施形態によると、変換要素は接続キャリアに固定されている。すなわち、変換要素は、接続キャリアに機械的に固定された状態で結合されている。一例として、変換要素は、結合手段、例えば薄い接着剤層によって接続キャリアに結合することができる。さらには、変換要素を接続キャリアに例えば接合する、または圧入によって接続キャリアに結合することが可能である。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、本部品の放射放出半導体チップの少なくとも２個は、動作時に放出する電磁放射の波長が互いに異なっている。言い換えれば、放射放出半導体チップの少なくとも２個は、例えば、異なる色の光を放出する。この場合、放射放出半導体チップの少なくとも１個が、変換要素によってまったく、またはほとんど変換されない波長範囲の電磁放射を放出することが可能である。この電磁放射は、主として変換要素によって散乱して変換要素を透過し、結果として、本オプトエレクトロニクス部品の別の放射放出半導体チップによって再放出される電磁放射と、変換要素によって再放出される電磁放射と、特に良好に混ざることができる。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、本部品は接続キャリアを備えており、この接続キャリアの上に少なくとも２個の放射放出半導体チップが配置されている。さらには、本部品は、接続キャリアに固定されている変換要素を備えており、この変換要素は、半導体チップが変換要素と接続キャリアとによって囲まれているように、半導体チップを包囲している。本部品の放射放出半導体チップの少なくとも２個は、動作時に放出する電磁放射の波長が互いに異なっている。

この場合、用語「半導体チップ」は、半導体ボディを備えており、かつ半導体ボディの放射出口面の上にさらなる変換要素が成膜されている半導体チップも意味するものと理解されたい。すなわち、半導体チップは、動作時に電磁放射を生成する半導体ボディと、さらなる変換要素とを備えており、さらなる変換要素は、半導体ボディに直接接触した状態に配置することができ、半導体ボディの下流、放射出口面に配置されている。この場合、半導体チップは、生成される主放射と、変換された放射とからなる混合放射を放出する。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、変換要素は、セラミック材料またはガラスセラミック材料のいずれかからなる。すなわち、変換要素は、マトリックス材料（例えばシリコーンまたはエポキシ樹脂）に含まれているルミネセンス変換物質によって形成されているのではなく、変換要素は、セラミック材料またはガラスセラミック材料によって形成されている。この場合、変換要素のルミネセンス変換物質自体をセラミック材料とし、変換要素が完全にセラミックルミネセンス変換物質からなるようにすることが可能である。さらには、マトリックス材料としてのセラミック材料またはガラスセラミック材料の中に、少なくとも１種類のセラミックルミネセンス変換物質を導入することで、変換要素を形成することが可能である。

このような変換要素を形成するのに適しているセラミックは、特に特許文献１に詳しく説明されており、この文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。変換要素を形成するのに適しているガラスセラミック材料は、例えば特許文献２に記載されており、この文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。

この場合、本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品は、特に、以下の洞察を利用しており、以下の利点に基づいている。すなわち、変換要素を形成するためのガラスセラミック材料またはルミネセンスセラミックは、その特徴として、熱伝導率が例えばシリコーンの熱伝導率よりも大幅に高い。変換要素は、１．０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することが好ましい。

変換要素は、接続キャリアに固定されているため、接続キャリアと、接続キャリアを貼り付けることのできる例えばヒートシンクとに、熱伝導的に結合されている。このようにすることで、変換要素を通過する放射の変換時に発生する熱を、特に良好に放散させることができる。

変換要素は、一例として、ＹＡＧ：Ｃｅセラミックからなる。このような変換要素は、約１４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を特徴とする。

さらには、ガラスセラミック材料またはセラミック材料からなる変換要素は、自身が包囲している半導体チップを、外部の影響から機械的に安定した状態に保護している。したがって、半導体チップの追加のハウジングを省くことができる。

さらには、異なる放射波長帯を有する複数の放射放出半導体チップを使用することは、オプトエレクトロニクス部品において特に高い演色評価数を有する白色混合光を生成するうえで有利であることが判明している。電磁放射は、変換要素によってまったく、またはほとんど変換されない波長範囲において少なくとも一部分が変換要素によって吸収されるが、この効率の欠点は、例えば、変換要素における電磁放射の拡散により光が特に良好に混ざることのメリットが上回る。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、本オプトエレクトロニクス部品は、少なくとも１個の放射放出半導体チップを備えており、この半導体チップは、動作時に、変換要素によってまったく、またはほとんど変換されない波長範囲の電磁放射を放出する。この半導体チップは、一例として、赤色または緑色の光を放出する。さらには、本部品は、このような半導体チップを複数備えている、例えば、赤色光を放出する半導体チップと緑色の光を放出する半導体チップを備えていることが可能である。本オプトエレクトロニクス部品は、動作時に放出する電磁放射の少なくとも一部分が変換要素によって変換される少なくとも１個の放射放出半導体チップを、さらに備えている。この半導体チップは、一例として、青色光を放出する半導体チップであり、青色光は、一部分が変換要素によって変換されて黄色光が生じ、この黄色光と混ざって白色光が生じる。

赤色を放出する放射放出半導体チップからの光は、一部分が変換要素によって吸収される。一例として、少なくとも１０％の吸収が生じる。このような吸収の欠点は、赤色光と、異なる色の半導体チップによって放出される電磁放射と、変換要素によって放出される電磁放射とが、特に良好に混ざることのメリットが上回ることが判明した。すなわち、赤色光は、半球状の変換要素において拡散することにより、半球内で生成される白色光とほぼ理想的に混ざる。このことは、変換要素によって波長変換されない他の色の半導体チップからの光にもあてはまる。したがって、記載した部品では、少なくとも９０％の光混合効率を達成することができる。光を混合させるための代替解決策（例えばライトボックス（light box）やマイクロレンズアレイ）では、このような高い効率を達成することはできない。さらには、光を混合させるためのこのような代替方法は、記載したオプトエレクトロニクス部品と比べると、比較的高価であり、かつ大きな空間を占める、すなわち大型である。さらには、この実施形態のオプトエレクトロニクス部品の場合、放出方向に変換要素の下流に配置されている二次光学ユニットを、特に小型に、したがって高い費用効率で具体化することができる。一例として、単純な（例えば放物面状の反射体を二次光学ユニットとして使用する。ライトボックスやマイクロレンズアレイなど、より複雑な光学要素を不要とすることができる。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の一実施形態によると、放射放出半導体チップの少なくとも１個は、動作時に白色光を放出する。この半導体チップは、一例として、半導体ボディを備えており、その下流、放射出口面に、さらなる変換要素が配置されており、動作時に半導体ボディにおいて生成される電磁放射の少なくとも一部分を、黄色光のスペクトル範囲の電磁放射に変換する。このさらなる変換要素は、例えばチップレベルの変換要素であり、変換物質（例えば、シリコーンからなるマトリックス材料に導入されている）が、半導体ボディの放射出口面に直接成膜されている。この場合、さらなる変換要素の変換物質は、半球状の変換要素の変換物質と同じである、または異なっていることができる。すなわち、本発明では、従来とは異なり、半導体ボディにおいて生成される例えば青色の電磁放射を、さらなる変換要素と半球状の変換要素とによっていわば２回変換することを提案する。すなわち、白色光を放出する半導体チップによって放出される光は、２回変換され、したがって、実質的に青色光から黄色光への変換が行われる。

この黄色光は、特に簡単な方法で暖白色光源を形成する役割を果たすことができる。

この場合、半球状の変換要素とさらなる変換要素が、互いに異なるルミネセンス変換物質を備えていることも可能である。したがって、半球状の変換要素は、例えば、特に温度の影響を受けやすい変換物質を備えていることができ、なぜなら、この変換要素は接続キャリアに特に良好に熱的に結合されているためである。さらなる変換要素については、チップ付近での変換に特に適している別のルミネセンス変換物質を使用することが可能である。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、接続キャリアに光センサが固定されており、この光センサは、自身が変換要素と接続キャリアとによって囲まれているように変換要素によって包囲されている。すなわち、この光センサは、放射放出半導体チップと同じように、変換要素によって形成されている半球の下に配置されている。光センサは、例えばフォトダイオードである。光センサは、例えば、変換要素から、変換要素によって包囲されている領域の内部に拡散して戻る拡散光を検出する。放射放出半導体チップおよび変換要素によって生成される光のうち複数の異なるスペクトル部分を、このセンサによって検出することができる。オプトエレクトロニクス部品によって放出される光の所望の色温度もしくは所望の色位置（color locus）、またはその両方が確立されるように、一例として駆動装置（同様に接続キャリアに固定することができる）によって、放射放出半導体チップを調整することができる。一例として、オプトエレクトロニクス部品の放出光のＣＸおよびＣＹ座標を、駆動装置によって所望の白色点（white point）に設定することができる。これにより、放射放出半導体チップのいわゆるビニングにおける複雑さが低減する。

この場合、光センサは、波長選択性とすることができる。その場合、光センサは、異なるスペクトル感度を有する複数の面を備えている。あるいは、放射放出半導体チップをパルス式に（in pulsed fashion）動作させ、光センサを、一面のみを有するセンサとすることができる。この場合、放射放出半導体チップそれぞれが、短時間だけ個々に動作する、または同じ色の放射放出半導体チップのみが短時間だけ動作し、したがって、その半導体チップまたはその色の半導体チップの電磁放射のみをセンサによって検出することができる。

放射放出半導体チップを駆動するための駆動装置は、マイクロコントローラとすることができ、例えば、接続キャリア上または接続キャリアの外側に配置することができる。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、半導体チップと変換要素との間に少なくとも１つの中間領域が配置されており、この少なくとも１つの中間領域は気体によって満たされている。すなわち、半導体チップと変換要素との間の空間を、少なくとも部分的に気体によって満たすことができる。この気体は、一例として空気とすることができる。したがって、半導体チップは変換要素に直接には接触していない。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、放射放出半導体チップおよび光センサ（存在時）は、共通の成形体（molded body）に埋め込まれている。すなわち、半導体チップは、その自由外面の少なくとも一部において、確実に固定された状態に成形体によって包囲されており、成形体は、少なくとも一部分が半導体チップに直接接触している。この場合、成形体は、例えばポッティングとして具体化することができる。成形体は、動作時に放射放出半導体チップによって生成される電磁放射に対して、できる限り完全な透過性である。すなわち、成形体は、放射放出半導体チップの電磁放射をほとんど、またはまったく吸収しない材料からなる。

成形体は、一例として、シリコーン、エポキシド、またはシリコーンおよびエポキシドのハイブリッド材料から形成されている。成形体は、半導体チップをその自由外面において確実に固定された状態に囲んでおり、例えば球状に湾曲した外面を有することができる。

成形体は、光を拡散させたり放射を吸収する材料（例えばルミネセンス変換材料）を含んでいないことが好ましい。すなわち、成形体は、極めて少量の不純物を除いてルミネセンス変換物質および拡散性粒子を備えていない。したがって、成形体は、透明に具体化されていることが好ましい。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、成形体と変換要素との間に、気体で満たされている中間領域が延在しており、この中間領域は成形体に直接隣接している。すなわち、成形体は、半導体チップとは反対側の外面を有し、この外面において中間領域に隣接している。この場合、中間領域は、接続キャリアまで延在していることができる。この場合、中間領域は、半球状に具体化することができる。中間領域は、成形体に面している内面において、成形体の外面の形に従う。変換要素に面している外面においては、変換要素の内面の輪郭に従うことができる。

この場合、中間領域は、特に以下の考察に基づいている。すなわち、オプトエレクトロニクス部品の動作時、放射放出半導体チップが発熱する結果として、半導体チップが埋め込まれている成形体も加熱される。特に成形体がシリコーンを含んでいる場合、この加熱によって成形体が熱膨張しうる。したがって、中間領域は、この熱膨張にもかかわらず成形体が変換要素に接触しないような寸法となっている。すなわち、変換要素と成形体は、好ましくは本オプトエレクトロニクス部品の動作時を含めて、中間領域によって互いに常に隔てられており、したがって成形体と変換要素は互いに直接接触することがない。特に、温度が上昇した場合に成形体が膨張して変換要素を圧迫することにより変換要素が剥離しうる状況が、これによって防止される。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、オプトエレクトロニクス部品は、半導体チップとは反対側の変換要素の外面に隣接している光取出しレンズ（coupling-out lens）を備えている。光取出し面は、変換要素の外面に直接接触していることができる。この場合、光取出しレンズは、オプトエレクトロニクス部品の、個別に作製される要素とすることができ、例えば、フライス削り、旋削、または射出成形の後、取り付けステップにおいて変換要素の上に固定する。しかしながら、オプトエレクトロニクス部品のさらなる構成要素の上に光取出しレンズを作製し、変換要素の上に例えばポッティングとして直接貼り付けることも、さらに可能である。

光取出しレンズは、オプトエレクトロニクス部品もしくは変換要素またはその両方によって放出される電磁放射に対して、少なくとも実質的に透過性である。特に、光取出しレンズは、ルミネセンス変換物質を含んでいないことが好ましい。すなわち、光取出しレンズは、極めて少量の不純物を除いてルミネセンス変換物質を備えていない。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、光取出しレンズは、半導体チップの側の内面を有し、この内面は、半径Ｒ_conversionを有する内側半球面によって囲まれている。さらには、光取出しレンズは、半導体チップとは反対側の外面を有し、この外面は、半径Ｒ_outerを有する外側半球面を囲んでいる。この場合、これら２つの半径は、条件、Ｒ_outer≧Ｒ_conversion×ｎ_lens／ｎ_air、を満たす。ここで、ｎ_lensは光取出しレンズの屈折率であり、ｎ_airは、光取出しレンズの周囲物質（一般には空気）の屈折率である。

内側半球面および外側半球面は、純粋な仮想面とすることができ、部品における実質的な形状として具体化する、あるいは存在している必要はない。特に、上記の半径を有する内側半球面および外側半球面によって形成される半球殻体の全体が光取出しレンズの中に位置しているならば、光取出しレンズは上述した条件（「ワイヤシュトラス」の条件としても知られている）を満たす。

特に、内側半径がＲ_conversionによって与えられ、外側半径がＲ_outerによって与えられる球殻体として、光取出しレンズを具体化することも可能である。この場合、光取出しレンズの形状は、製造時に要求される場合、その内面および外面が数学的に正確な球形からわずかに逸脱していてもよい。

言い換えれば、光取出しレンズが上述した条件を満たすならば、光取出しレンズは、その外面が（半導体チップのあらゆる点から見たとき）光取出しレンズの外側において全反射が起こらないような小さい角度に位置している形状であり、かつそのように半導体チップから隔置されている。したがって、この条件に従う光取出しレンズは、その外面における全反射による放射損失は極めてわずかである。したがって、オプトエレクトロニクス部品の光取出し効率が高まり、これは有利である。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、オプトエレクトロニクス部品が埋め込まれている成形体は、半径Ｒ_innerを有する半球面によって囲まれている。この場合、半導体チップは、有効面積（area content）Ａを有する全放射出口面を有する。この場合、全放射出口面は、半導体チップの放射出口面の合計からなる。

この場合、有効面積Ａおよび半径Ｒ_innerは、条件、Ａ≦１／２×π×Ｒ_inner ^２、を満たす。この場合、有効面積Ａは、Ａ≧１／２０×π×Ｒ_inner ^２であることが好ましい。この場合、１つの成形体がオプトエレクトロニクス部品のすべての放射放出半導体チップを包囲しているものと想定する。放射放出半導体チップの全放射出口面の有効面積がこのように小さいことによって、例えば、変換要素によって反射されて半導体チップに戻る電磁放射、または変換要素から放出される電磁放射が、半導体チップに入射する（これにより例えば吸収によって失われうる）確率が小さくなる。

この場合、一例として、成形体の側の接続キャリアの面に反射層が配置されており、この反射層は、少なくとも部分的に成形体に直接隣接しており、半導体チップによって生成される電磁放射と、変換要素において生成される電磁放射の両方に対して、少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％の反射率を有する。特に好ましくは、反射層は少なくとも９８％の反射率を有する。この場合、反射層は、半径Ｒ_innerを有する半球の中に位置していることが好ましい。このようにすることで、放射は、放射放出半導体チップの放射出口面ではなく、高い確率で反射層に入射する。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、変換要素と接続キャリアとの間に結合手段（例えば、接着材料またははんだ材料）が配置されている。結合手段は、変換要素および接続キャリアに直接隣接していることができる。この場合、結合手段（特に接着剤）は、最大１０μｍ、好ましくは最大６μｍの厚さを有する薄層として塗布されていることが好ましい。このような薄層により、変換要素によって発生する熱を特に効率的に接続キャリアに放出させることができる。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、変換要素は、オルトケイ酸塩、チオガレート、硫化物、窒化物、フッ化物、ガーネットのいずれかをベースとするルミネセンス変換物質を含んでいる、またはそのようなルミネセンス変換物質からなる。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態によると、変換要素は、Ｅｕ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｎ４＋のうちの少なくとも１種類のドーパントによって活性化されるルミネセンス変換物質によって形成されている。

この場合、本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品は、特に以下の考察に基づいている。すなわち、本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品では半導体チップと変換要素との間の距離が比較的大きい結果として、動作時に半導体チップによって生成される電磁放射が、比較的大きい面積および比較的大きい体積に分散する。結果として、残光時間の長い蛍光体を使用することが可能である。この場合、残光時間の長い蛍光体とは、残光時間が１μｓより長い蛍光体であるものと理解されたい。このような蛍光体としては、例えばＥｕ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｎ４＋によって活性化されるルミネセンス変換材料が挙げられる。半導体チップと変換要素との間の距離が比較的大きい結果として、このような残光時間の長い蛍光体の場合でも飽和効果（saturation effect）が起こりにくくなる。残光時間の短い蛍光体（例えばＹＡＧ：Ｃｅ）では、本オプトエレクトロニクス部品の場合には飽和効果がいっそう完全に回避される。

さらには、大きな面積および大きな体積に電磁放射が分散するため、放射によって（例えば紫外放射の結果として）損傷・劣化しやすいルミネセンス変換材料を使用することが可能である。一例として、窒化物（例えばＳｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ）、さらには、硫化物、酸窒化物、フッ化物が挙げられる。本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品では、これらのルミネセンス変換材料を使用することができる。

本オプトエレクトロニクス部品の少なくとも一実施形態における変換要素がセラミックまたはガラスセラミックからなることにより、ルミネセンス変換物質の焼結に起因して蛍光体の有効表面積が極めて小さくなっている。結果として、水分、ＣＯ_２、酸素、またはその他の大気中の気体との緩慢な化学反応が大幅に阻止され、なぜなら、有効な反応面積が減少しているためである。このことは、特に、硫化物、オルトケイ酸塩、窒化物などのルミネセンス変換物質に関連する。セラミックまたはガラスセラミックからなる変換要素を使用することによって、変換要素、したがってオプトエレクトロニクス部品全体の寿命も延びる。

狭帯域ｆ−ｆライン発光体（narrowband f-f line emitters）（例：Ｅｕ３＋、Ｍｎ４＋）など残光時間の長いルミネセンス変換材料を、紫外放射を放出する半導体チップと組み合わせて使用できることにより、オプトエレクトロニクス部品の高い演色性および効率を達成することが可能である。この場合、飽和効果の早期発生の欠点も生じない。

さらには、本出願に記載した部品においては、付活剤の濃度が、従来のルミネセンス変換物質において一般的な濃度の１／１００以下であるルミネセンス変換物質を使用することが可能である。すなわち、本出願に記載した部品では、熱挙動が好ましくない、大気中の気体と反応する、残光時間が長いなどの理由で通常では使用できないルミネセンス変換物質を使用することも可能になる。このようなルミネセンス変換物質としては、例えば、青〜緑から赤〜橙を放出するオルトケイ酸塩、チオガレート、硫化物、窒化物、フッ化物、狭帯域ｆ−ｆライン発光体が挙げられる。

以下では、本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品について、例示的な実施形態および関連する図面に基づいてさらに詳しく説明する。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の例示的な実施形態を概略図として示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の例示的な実施形態を概略図として示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の例示的な実施形態を概略図として示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の例示的な実施形態を概略図として示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の例示的な実施形態を概略図として示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品の例示的な実施形態を概略図として示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品のさらなる特性を概略的なプロットとして示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品のさらなる特性を概略的なプロットとして示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品のさらなる特性を概略的なプロットとして示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品のさらなる特性を概略的なプロットとして示している。 本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品のさらなる特性を概略的なプロットとして示している。

図面において、同じ要素、タイプが同じ要素、機能が同じ要素には、同じ参照記号を付してある。図面と、図面に示した要素間の大きさの関係は、正しい縮尺ではないものとみなされたい。むしろ、深く理解できるようにする目的で、あるいは便宜上、個々の要素を誇張した大きさで描いてある。

図１Ａは、本出願に記載した部品１の第１の例示的な実施形態の概略的な斜視図を示している。この部品１は、接続キャリア２を備えている。この実施形態の場合、接続キャリア２は、基体２１を有するメタルコア回路基板であり、基体２１には反射層２２が成膜されており、反射層２２は、動作時に放射放出半導体チップ３によって生成される電磁放射に対して反射性である。反射層２２は、一例として、アルミニウムまたは銀からなる。

この実施形態の場合、接続キャリア２の上に５個の放射放出半導体チップ３が配置されている。この場合、オプトエレクトロニクス部品は、青色光を放出する４個の放射放出半導体チップ３ｂと、赤色光を放出する１個の半導体チップ３ｒとを備えている。

青色光を放出する放射放出半導体チップ３ｂは、例えば、ＩｎＧａＮ半導体材料系をベースとしている。赤色光を放出する半導体チップ３ｒは、例えば、ＩｎＧａＡｌＰ半導体材料系をベースとしている。

放射放出半導体チップ３は、成形体７により、確実に固定された状態に包囲されており、この成形体は、この実施形態の場合には透明なシリコーンからなる。

これらの放射放出半導体チップは、動作時、青色光および赤色光を放出する。図１Ａでは、明確に示すため、変換要素４を省いてオプトエレクトロニクス部品１を描いてある。

図１Ａの例示的な実施形態のオプトエレクトロニクス部品は、図１Ｂの概略透視図では、変換要素４とともに示してある。変換要素４は、例えば接着剤によって接続キャリア２に固定されている。変換要素４は、成形体７および放射放出半導体チップ３を半球状に包囲している。変換要素４は、セラミック材料またはガラスセラミック材料からなる。一例として、変換要素４はセラミックルミネセンス変換物質からなる。

変換要素４は、青色の半導体チップ３ｂによって生成された電磁放射の一部分を吸収し、黄色光のスペクトル範囲の電磁放射に変換する。このようにすることで、変換要素４は、変換されていない青色光と、変換後の黄色光とからなる白色混合光を放出する。

さらには、放射放出半導体チップ３ｒの赤色光と、生成された白色光とが、変換要素４によって特に一様に混ざる。

したがって、変換要素４は、（変換器としての特性に加えて）、特に良好な色混合を達成する光拡散光学要素としての役割も果たす。

したがって、全体として、本オプトエレクトロニクス半導体部品は、赤を含んでいる白色光を放出し、赤の割合は、全放射の一部のみである。変換器は赤色光の約８５％しか透過させないが、オプトエレクトロニクス部品の効率は約９６％に下がるのみであり、なぜなら、赤の割合が、生成される白色混合光のうち比較的小さい割合であるためである。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品１のさらなる例示的な実施形態について、図２Ａ〜図２Ｃを参照しながら概略図に基づいてさらに詳しく説明する。図１Ａおよび図１Ｂを参照しながら説明した例示的な実施形態とは異なり、この例示的な実施形態におけるオプトエレクトロニクス部品は、赤色を放出する半導体チップ３ｒと、青色を放出する半導体チップ３ｂとに加えて、白色光を放出する少なくとも１個の半導体チップ３ｇを備えている。白色光を放出する半導体チップ３ｇは、動作時に例えば青色光を放出する半導体ボディ３０を備えている。半導体ボディ３０の放射出口面３ａには、さらなる変換要素９（例えば薄層として具体化されている）が成膜されている。変換要素９は、半導体ボディチップ３０において生成される放射の一部分を黄色光に変換し、したがって、白色光を放出する半導体チップ３ｇは、全体として白色混合光を放出する。したがって、白色混合光を放出する半導体チップ３ｇは、変換要素９が半導体ボディ３０に直接成膜されている半導体チップである。半球状の変換要素４は、白色光のうち青色光の少なくとも一部分をさらに黄色光に変換し、したがって、白色光を放出する半導体チップ３ｇによって生成される光により、オプトエレクトロニクス部品は、全体としてほぼ黄色または黄色がかった光を発する。

一例として、青色を放出する半導体チップ３ｂと、赤色を放出する半導体チップ３ｒと、白色を放出する半導体チップ３ｇとを組み合わせることによって、２７００Ｋ〜６０００Ｋの範囲内の相関色温度において、すべての色位置をプランク曲線に沿って設定することが可能である。

一例として、以下の光源を実現することができる。
− 青色半導体チップの全放射出口面積４ｍｍ^２と、赤色半導体チップの全放射出口面積２ｍｍ^２と、オプションとして白色半導体チップの全放射出口面積１ｍｍ^２とを有するオプトエレクトロニクス部品を使用することで、約３０００Ｋの色温度と演色評価数ＣＲＩ＞９０とを有する暖白色光源が実現する。オプションの白色半導体チップは、平均電流において動作し、駆動電子回路と協働して色座標Ｃｘ，Ｃｙを正確に所望の白色点に設定する。これにより、ビニングの問題が排除される。この場合、半導体チップの効率は電流密度の増大とともに下がることを考慮する必要がある。一例として、青色を放出する半導体チップ３ｂが電流密度３５０ｍＡによって一定に動作するならば、白色半導体チップは平均電流密度１７５ｍＡで動作し、白色点を設定するための電流密度は０〜３５０ｍＡの間で可変である。
− 青色半導体チップの全放射出口面積５ｍｍ^２と、赤色半導体チップの全放射出口面積１ｍｍ^２と、オプションとして白色半導体チップの全放射出口面積１ｍｍ^２とを有するオプトエレクトロニクス部品を使用することで、約６０００Ｋの色温度と演色評価数ＣＲＩ＞９０と１００ｌｍ／Ｗ以上の効率とを有する冷白色光源が実現する。このような冷白色光源は、通常、この効率において演色評価数ＣＲＩ＜７０である。
− 青色半導体チップの全放射出口面積２ｍｍ^２と、赤色半導体チップの全放射出口面積２ｍｍ^２と、白色半導体チップの全放射出口面積３ｍｍ^２とを有するオプトエレクトロニクス部品を使用することで、約６０００Ｋ〜２７００Ｋの間の色温度（プランク曲線上で調整可能）と、全色温度において演色評価数ＣＲＩ＞９０および９０ｌｍ／Ｗ以上の効率を有する調整可能な光源が実現する。

変換要素４は、複数の異なる色の半導体チップ３ｒ，３ｂ，３ｇによって生成される電磁放射と、自身が再放出する電磁放射とを、混合する。この場合、ライトボックスやマイクロレンズアレイなどの大型の光学要素を不要とすることができる。したがって、二次光学ユニットとして、より単純に具体化されている（例えば放物面状の内壁を有する）反射器２３を、オプトエレクトロニクス半導体チップおよび変換要素４の下流に配置することができる。

本オプトエレクトロニクス部品は、接続キャリア２の上に配置できる接続帯状部（connection strip）１２をさらに有することができる。この接続帯状部１２を介して、部品１の放射放出半導体チップとの電気コンタクト接続を形成することができ、さらに、例えば、部品の外側に配置される駆動装置を備えたセンサ１１を、接続帯状部１２に接続することができる。

図２Ｂおよび図２Ｃは、それぞれ、図２Ａに斜視図として示したオプトエレクトロニクス部品の平面図および側面図を概略的に示している。

本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品１のさらなる例示的な実施形態について、図３の概略的な断面図を参照しながらさらに詳しく説明する。本部品のこの実施形態においては、半導体チップおよび光センサは、例えば図１および図２を参照しながら詳しく説明したように使用することができる。

このオプトエレクトロニクス部品は接続キャリア２を備えている。この実施形態の場合、接続キャリア２はプリント基板である。接続キャリア２は基体２１を備えており、この基体２１は、電気絶縁材料（例えばセラミック材料、プラスチック材料）から形成することができる。さらには、基体２１をメタルコア回路基板とすることも可能である。

接続キャリアの上面に反射層２２が成膜されている。反射層２２は、接続キャリア２の反射性塗膜を形成している。この反射層は、一例として、反射性の金属（例えば、金、銀、アルミニウム）から形成されている。さらには、反射層２２をブラッグミラーとすることも可能である。

半導体チップ３は接続キャリア２に貼り付けられている。この放射放出半導体チップ３は、発光ダイオードチップである。放射放出半導体チップ３は、接続キャリア２に固定されて電気的に接続されている。

放射放出半導体チップ３は、成形体７によって包囲されている。この実施形態の場合、成形体７はシリコーンからなる。成形体７は、例えば半球状に具体化されている。放射放出半導体チップ３は、接続キャリア２とは反対側の外面において、確実に固定された状態に成形体７によって包囲されている。成形体７は、ルミネセンス変換物質を含んでいない。

成形体７は、半径Ｒ_innerを有する半球面の中に配置されている。この場合、半径Ｒ_innerは、放射放出半導体チップの全放射出口面３３ａの有効面積が、１／２０×π×Ｒ_inner ^２〜１／２×π×Ｒ_inner ^２の範囲内であるように選択される。このようにすることで、例えば、変換要素４によって反射して戻される電磁放射、または変換要素４によって放出される電磁放射が、相対的に反射率の低い放射放出半導体チップ３の放射出口面３ａには入射せず、反射性の塗膜２２に入射して、そこからオプトエレクトロニクス部品１の周囲の方向に再び放出され得る確率が、減少する。

成形体７と変換要素４との間には空隙６が配置されている。空隙６は空気によって満たされている。図１の例示的な実施形態においては、空隙６は、成形体７および変換要素４に直接隣接している。空隙６は、特に、放射放出半導体チップ３の動作時の発熱に起因して成形体７が膨張する場合における緩衝体の役割を果たす。空隙６によって、オプトエレクトロニクス部品１において成形体７が変換要素４を圧迫することがない（圧迫すると、例えば、変換要素４が接続キャリア２から剥離することがあり、したがって、変換要素４から接続キャリア２への熱伝導性が悪化しうる）。

変換要素４は、放射放出半導体チップ３を半球状に包囲している。変換要素４は、半球状の殻体として具体化されている。変換要素４は、外面４ａと、半導体チップ３の側の内面４ｂとを備えている。変換要素４は、セラミック（例えばＹＡＧ：Ｃｅ）または焼結ガラスセラミックからなり、後者の場合、セラミックルミネセンス変換物質（ceramic luminescence conversion substance）がガラスに導入されている。この場合、変換要素４は、自立性であるように具体化されており、すなわち、変換要素４は機械的に耐荷重構造（mechanically load-bearing structure）であり、半球状の形を維持するためのさらなる支持要素を必要としない。変換要素４は接続キャリア２に固定されている。この実施形態の場合、変換要素４は、接着剤５からなる接着剤層によって接続キャリア２に固定されており、接着剤層は接続キャリアおよび変換要素に直接隣接している。

接着剤５は、エポキシ樹脂もしくはシリコーンまたはその両方によって形成されている接着剤であることが好ましい。この場合、接着剤５は、これらの材料の一方からなる、またはこれらの材料の一方を含んでいることができる。

一例として、これらの材料の一方が接着剤５のマトリックス材料を形成しており、金属粒子（例えば、銀、金、またはニッケルからなる粒子）を含んでいることも可能である。このタイプの接着剤５は、高い熱伝導率を特徴とする。

変換要素４は、接着剤５からなる薄い接着剤層によって接続キャリア２に固定されていることが好ましい。この場合、接着剤層は、（製造公差の範囲内で）一様な厚さを有する。接着剤５からなる接着剤層の厚さは、好ましくは１μｍ〜１０μｍの範囲、特に好ましくは４μｍ〜６μｍの範囲、例えば５μｍである。

接着剤５からなるこのような薄い接着剤層により、変換要素４から接続キャリア２への熱の放散が改善される。

放射放出半導体チップの動作時、電磁放射は変換要素４の方向に放出される。変換要素４は、この放射の一部分を、異なる波長を有する電磁放射、または異なる波長範囲の電磁放射に変換するルミネセンス変換物質を含んでいる、またはこのようなルミネセンス変換物質からなる。このプロセスにおいては熱が発生し、熱は変換要素４から接続キャリア２に放出される。この場合、変換要素４は、特に、少なくとも１．０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を特徴とする。

変換要素４には、放射放出半導体チップから外側方向に見たとき外側の光取出しレンズ８が隣接している。光取出しレンズ８は、ガラス材料またはプラスチック材料（例えば、シリコーン、エポキシド、またはエポキシドおよびシリコーンのハイブリッド材料）から形成することができる。光取出しレンズ８は、少なくとも可視スペクトル範囲の放射に対して透過性であり、特に、ルミネセンス変換物質を含んでいない。

光取出しレンズ８は、半径Ｒ_conversionを有する内側半球面８ｂを有する。さらには、光取出しレンズ８は、半径Ｒ_outerを有する半球面によって形成されている外面８ａを有する。この場合、これらの半径のいずれも、中心軸線１０と接続キャリア２の取付面との交点によって形成される点Ｍを起点とする。この場合、中心軸線１０は、中央に配置された放射放出半導体チップ３の放射出口面３ａを通り、かつ放射放出半導体チップ３のエピタキシャル成長層に（製造公差の範囲内で）垂直である中心軸線であることが好ましい。この場合、光取出しレンズ８の内面８ｂおよび外面８ａの半径は、条件、Ｒ_outer≧Ｒ_conversion＊ｎ_lens／ｎ_airを満たし、ここで、ｎ_lensは光取出しレンズ８の屈折率であり、ｎ_ａｉｒは、光取出しレンズの周囲物質の屈折率である。

この条件が満たされるならば、動作時に放射放出半導体チップによって生成される電磁放射と、変換要素によって再放出される放射と、反射層２２によって反射される放射とについて、光取出しレンズ８の外面８ａにおける全反射の条件は満たされない。

この光学的なコンセプトは、（タイプの異なるオプトエレクトロニクス部品に関連して）独国特許出願第１０２００７０４９７９９．９号明細書にも説明されており、この文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。

図４の概略的なプロットから明らかであるように、本出願に記載したオプトエレクトロニクス部品１によって、２７００Ｋ〜６０００Ｋの範囲の相関色温度（ＣＣＴ）と、比較的高い演色評価数（ＣＲＩ）を有する白色光を高い効率で生成できる光源を構築することが可能である。この場合、効率は、全色温度において１００ｌｍ／Ｗ以上であり、演色評価数は９０以上である。この場合、青色の放射放出半導体チップ３ｂと、白色光を放出する半導体チップ３ｇが、変換要素４の下に使用されている。

３０００Ｋの色温度における暖白色光源について、図５を参照しながら説明する。この光源は、９０以上の高い演色評価数ＣＲＩに加えて、赤色光の表現の演色評価数Ｒ９が改善される。この目的のため、このオプトエレクトロニクス部品は、深紅色の光を放出する少なくとも１個の半導体チップを含んでおり、１ｍｍ^２の全放射出口面積を有する。さらに、このオプトエレクトロニクス部品は、青色光を放出する少なくとも１個の半導体チップ３ｂを含んでおり、４ｍｍ^２の全放射出口面積を有する。さらに、このオプトエレクトロニクス部品は、赤色光を放出する少なくとも１個の半導体チップ３ｒを含んでおり、２ｍｍ^２の全放射出口面積を有する。

図５Ａ〜図５Ｃは、Ｒ９の値が６３、９０、９８である場合について、本出願に記載した光源のスペクトルを概略的に示している。図５Ｄは、これらの３つの光源の演色評価数ＣＲＩ、演色評価数Ｒ９、および効率（単位：ｌｍ／Ｗ）を棒グラフとして示している。この場合、図から明らかであるよう、Ｒ９の値が９０である場合の効率の損失は、わずかに約１０％である。Ｒ９の値が９８である場合、効率の損失は約１６％にすぎない。

ここまで、本発明についてその例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。

［関連出願］
本特許出願は、独国特許出願第１０２００８０５７１４０．７号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。

１ オプトエレクトロニクス部品
２ 接続キャリア
３ 放射放出半導体チップ
３ａ 放射出口面
４ 変換要素
４ａ 外面
４ｂ 内面
５ 接着剤
６ 気体で充填された中間領域
７ 成形体
８ 光取出しレンズ
８ａ 外面
８ｂ 内面
９ さらなる変換要素
１０ 中心軸線
１１ 光センサ
１２ 接続帯状部
２１ 接続キャリアの基体
２２ 反射層
２３ 反射器
３０ 半導体ボディ
３３ａ すべての放射放出半導体チップの全放射出口面
Ｍ 点

Claims (14)

1. オプトエレクトロニクス部品（１）であって、
   − 少なくとも２個の放射放出半導体チップ（３）が上に配置されている接続キャリア（２）と、
   − 前記接続キャリア（２）に固定されている変換要素（４）と、
   を備えており、
   − 前記半導体チップ（３）が前記変換要素（４）と前記接続キャリア（２）とによって囲まれており、
   − 前記放射放出半導体チップ（３）の少なくとも２個が、動作時に自身が放出する電磁放射の波長が互いに異なっており、
   − 前記変換要素（４）が、機械的に自立性の半球体であり、
   − 前記変換要素（４）が、セラミック材料からなり、
   前記変換要素（４）が、半球状に前記半導体チップ（３）を包囲しており、
   前記放射放出半導体チップ（３）の少なくとも１個が、動作時に白色光を放出する、
   オプトエレクトロニクス部品（１）。
2. 前記半導体チップ（３）と前記変換要素（４）との間に少なくとも１つの中間領域（６）が配置されており、前記少なくとも１つの中間領域が気体によって満たされている、
   請求項１に記載のオプトエレクトロニクス部品。
3. 前記変換要素（４）と前記接続キャリア（２）との間に、結合手段が配置されており、前記結合手段が前記変換要素（４）と前記接続キャリア（２）とに直接隣接している、
   請求項１または請求項２に記載のオプトエレクトロニクス部品。
4. 前記放射放出半導体チップ（３）の少なくとも１個が、動作時に、赤色光または白色光のスペクトル範囲の電磁放射を放出する、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス部品。
5. 白色光を放出する前記半導体チップ（３）が半導体ボディ（３０）を備えており、前記半導体ボディ（３０）の下流、放射出口領域に、さらなる変換要素（９）が配置されており、前記さらなる変換要素（９）が、動作時に前記半導体ボディ（３０）において生成される電磁放射の少なくとも一部分を、黄色光のスペクトル範囲の電磁放射に変換する、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス部品。
6. 前記接続キャリア（２）に光センサ（１１）が固定されており、前記光センサ（１１）が前記変換要素（４）と前記接続キャリア（２）とによって囲まれているように、前記光センサ（１１）が前記変換要素（４）によって包囲されており、前記光センサ（１１）が、動作時に前記放射放出半導体チップ（３）によって生成される前記電磁放射を動作時に検出するように設計されている、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス部品。
7. 前記半導体チップ（３）と前記光センサ（１１）（存在時）とが成形体（７）に埋め込まれている、
   請求項６に記載のオプトエレクトロニクス部品。
8. 前記中間領域（６）が前記成形体（７）と前記変換要素（４）との間に延在しており、前記中間領域（６）が前記成形体（７）に直接隣接している、
   請求項７に記載のオプトエレクトロニクス部品。
9. 光取出しレンズ（８）が前記変換要素の外面（４ａ）に隣接しており、前記外面（８ａ）が前記半導体チップ（３）とは反対側である、
   請求項１から請求項８のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス部品。
10. 前記光取出しレンズ（８）が、
    − 前記半導体チップ（３）の側の内面（８ｂ）であって、半径Ｒ_conversionを有する内側半球面によって囲まれている、前記内面（８ｂ）と、
    − 前記半導体チップ（３）とは反対側の外面（８ａ）であって、半径Ｒ_outerを有する外側半球面を囲んでいる、前記外面（８ａ）と、を有し、
    前記半径Ｒ_conversionおよび前記半径Ｒ_outerが、条件、
    Ｒ_outer≧Ｒ_conversion＊ｎ_lens／ｎ_air、
    を満たしており、ｎ_lensが前記光取出しレンズ（８）の屈折率であり、ｎ_airが前記光取出しレンズ（８）の周囲物質の屈折率である、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス部品。
11. − 前記成形体（７）が、半径Ｒ_innerを有する半球面によって囲まれており、
    − 前記半導体チップ（３）が、有効面積Ａを有する全放射出口面（３３ａ）を有し、
    − 前記有効面積Ａおよび前記半径Ｒ_innerが、条件、
    Ａ≦１／２＊π＊Ｒ_inner ^２、
    を満たしている、
    請求項７に記載のオプトエレクトロニクス部品。
12. 前記有効面積Ａおよび前記半径Ｒ_innerが、条件、
    Ａ≧１／２０＊π＊Ｒ_inner ^２、
    を満たしている、
    請求項１１に記載のオプトエレクトロニクス部品。
13. 前記変換要素（４）が、
    オルトケイ酸塩、チオガレート、硫化物、窒化物、フッ化物、ガーネットのうちの１種類をベースとするルミネセンス変換物質、
    を含んでいる、またはこのようなルミネセンス変換物質からなる、
    請求項１から請求項１２のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス部品。
14. 前記変換要素（４）が、
    Ｅｕ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｎ４＋のうちの１種類のドーパントによって活性化されるルミネセンス変換物質、
    を含んでいる、またはこのようなルミネセンス変換物質からなる、
    請求項１から請求項１３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス部品。

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