JP5827895B2 - 発光手段 - Google Patents

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Description

発光手段を提供する。
「冷」光源（例えば発光ダイオード、ルミネセンスダイオード、レーザダイオード）は、例えば熱光源または熱発光手段（例えば白熱灯）と比較すると、高い効率、長い寿命、コンパクトな設計を特徴とする。しかしながら、発光手段によって放出される光のスペクトルも、同程度に重要な側面である。熱光源は、可視スペクトル範囲内の幅の広いほぼ連続的な電磁放射スペクトル（黒体スペクトルに似ている）を放出する。例えば、発光ダイオードは、可視スペクトル範囲内の比較的狭いスペクトル範囲内で放出する。
米国特許出願第２００５／０２６６５８８号明細書 国際公開第２００７／１４０７３８号パンフレット 独国特許第１０２００４０５２２４５号明細書 独国特許第１０２００４０４７７６３号明細書
本発明の目的は、高い演色性（color rendering quality）を有する発光手段を提供することである。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段は、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体デバイスを備えている。この半導体デバイスは、発光ダイオードまたはレーザダイオードとして構成することができる。半導体デバイスは、動作時、少なくとも一部分が３４０ｎｍ〜７８０ｎｍのスペクトル範囲にある電磁放射を放出する。
本発光手段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半導体デバイスは、動作時、少なくとも１つの第１の波長で放出する。この場合、波長は、例えば、半導体チップの発光帯（emission band）に対応するスペクトル範囲または波長範囲を意味するものと理解されたい。このような発光帯は、狭帯域であり、２０ｎｍのオーダーの大きさのスペクトル幅を有する。「幅」は、半値全幅（略してＦＷＨＭ）の値である。波長は、発光帯または波長範囲の最大値のスペクトル位置を意味するものと理解されたい。以下では、「波長」は、発光帯または対応する波長範囲のスペクトル範囲を含む。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、第１の波長は、５００ｎｍ未満、特に３００ｎｍ〜５００ｎｍの間、好ましくは４００ｎｍ〜４５０ｎｍの間、特に好ましくは４１０ｎｍ〜４４０ｎｍの間である。言い換えれば、第１の波長は、近紫外線または青色のスペクトル範囲にある。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段は、特に２００ｎｍ〜５００ｎｍのスペクトル範囲内、好ましくは４３０ｎｍ〜４９０ｎｍのスペクトル範囲内の第２の波長の光を放出する。第１の波長は、特に、第２の波長よりも高い周波数を有する。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段は、少なくとも１つの第１の波長と少なくとも１つの第２の波長で電磁放射を放出し、第１の波長と第２の波長は互いに異なる。第１の波長の発光帯と第２の波長の発光帯は、一部分が重なっていることができる。
第１の波長および第２の波長は、それぞれ、半導体デバイスによって直接放出される放射のスペクトルシグネチャ（spectral signature）に関連する。特に、この放射は、変換手段あるいは吸収体によって影響されない。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段は、変換手段を備えている。変換手段は、少なくとも、第１の波長を有する放射を、少なくとも部分的に、異なる周波数を有する放射に変換するように構成されている。特に、変換された放射の波長は、第１の波長よりも大きい。言い換えれば、変換された放射は、第１の波長のスペクトル範囲の周波数よりも低い周波数を備えている。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段の動作時に放出される放射スペクトルは、黒体スペクトルに対して条件等色（メタメリズム）である。異なるスペクトルが互いに対して条件等色であるならば、そのことは、それらのスペクトルが同じ色度座標を有することを意味する。すなわち、本発光手段においては、放射スペクトルは、人の目によって知覚されるときの感覚的な印象が黒体スペクトルの印象に一致するような組成またはプロファイルを有する。言い換えれば、本発光手段は、人の目にとって、熱平衡状態にある理想的な黒体の形の放射体を形成している。本発光手段は、動作時に放出される放射が白色光、特に暖白色光（warm-white light）として知覚されるように構成されていることが好ましい。
黒体スペクトルに対して条件等色であることは、標準色度図において、発光手段によって放出される放射の色度座標と黒体曲線との間の平均距離が０．０７以下である（製造精度および測定精度の範囲内である）ことも意味する。この距離は、０．０５以下、特に、０．０２５以下であることが好ましい。この場合、この距離は、ｘ方向のずれの二乗とｙ方向のずれの二乗の合計の平方根として定義される。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段は、動作時に少なくとも１つの第１の波長の電磁放射と少なくとも１つの第２の波長で電磁放射を放出する少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体デバイスを備えており、第１の波長および第２の波長は、互いに異なっており、５００ｎｍ未満、特に３００ｎｍ〜５００ｎｍの間にある。さらには、本発光手段は、第１の波長を、少なくとも部分的に、異なる周波数を有する放射に変換する少なくとも１つの変換手段、を備えている。動作時に発光手段によって放出される放射スペクトルは、黒体スペクトルに対して条件等色である。
このような発光手段では、発光手段の高い演色性と高い効率とを同時に達成できるように、第１の波長および第２の波長を選択することが可能になる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、半導体デバイスは、動作時に第１の波長で放出する少なくとも１つの半導体チップと、第２の波長で放出する少なくとも１つの半導体チップとを有する。第１の波長における放射パワーと、第２の波長における放射パワーとの間の比率は、例えば、２つの半導体チップの異なる通電（energization）によって、所望の状態に設定することができる。これら少なくとも２つの半導体チップは、互いに独立して動作させる、もしくは駆動する、またはその両方を行うことができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本半導体部品は、第１の波長を有する放射と第２の波長を有する放射の両方を動作時に放出する少なくとも１つの半導体チップ、を備えている。言い換えれば、第１の波長および第２の波長を１つの半導体チップによって発生させることができる。このような半導体チップは、例えば特許文献１に開示されており、半導体チップに関して、およびそのような半導体チップの製造方法に関してこの文書に記載されている開示内容は、参照によって本出願に組み入れられている。このような半導体チップによって、コンパクトな半導体部品、したがって省スペースの発光手段を実現することが可能である。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本半導体デバイスは、少なくとも１つの第１の部分と少なくとも１つの第２の部分とを有する活性ゾーン、を有する少なくとも１つの半導体チップ、を備えている。第１の部分と第２の部分は垂直方向に（すなわち、活性ゾーンの主延在方向に対して垂直に）、好ましくは互いに重ねて配置されている。特に、第１の部分と第２の部分との間には、トンネルコンタクト（tunnel contact）が配置されていない。動作時、活性ゾーンの第１の部分において、第１の波長を有する放射が発生し、活性ゾーンの第２の部分において、第２の波長を有する放射が発生する。一例として、活性ゾーンの２つの部分に、構造の異なる量子井戸が配置されており、動作時、これらの量子井戸が異なる波長の光を放出する。このタイプの半導体チップは、特許文献２に開示されており、半導体チップに関してこの文書に記載されている開示内容は、参照によって本出願に組み入れられている。このような半導体チップを備えている半導体デバイスは、コンパクトな構造である。このような半導体デバイスの結果として、本発光手段は高い効率を有する。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段は、第１の波長を有する放射を動作時に放出する活性ゾーンを有する少なくとも１つの半導体チップ、を備えている半導体デバイス、を備えている。主放射方向に見たとき、活性ゾーンの下流にルミネセンス構造（luminescence structure）が配置されており、このルミネセンス構造は、第１の波長の一部を吸収して第２の波長で再放出する。活性ゾーンおよびルミネセンス構造は、特に半導体デバイス全体がベースとしているものと同じ半導体材料をベースとしていることが好ましい。一例として、活性ゾーンおよびルミネセンス構造は、材料系ＩｎＧａＮまたはＧａＮをベースとしている。このタイプの半導体チップは、特許文献３に開示されており、半導体チップに関してこの文書に記載されている開示内容は、参照によって本出願に組み入れられている。このような半導体チップを使用することによって、発光手段のコンパクトかつ効率的な配置構造を達成することができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、半導体デバイス全体の下流に変換手段が配置されている。すなわち、すべての半導体チップの放射が、少なくとも部分的に、変換手段を通過する。特に、半導体デバイスによって放出される放射の実質的に全体が変換手段を通過する。「実質的に」とは、半導体デバイスによって放出される放射の８０％以上、特に９５％以上が、変換手段を通過することを意味する。このような発光手段は、単純かつコンパクトな構造を有し、高い変換効率を有する。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、第１の波長および第２の波長は、スペクトル的に少なくとも１０ｎｍだけ互いに隔てられている。このスペクトル距離は、少なくとも１５ｎｍ、特に少なくとも２０ｎｍであることが好ましい。第１の波長と第２の波長との間のスペクトル距離が大きいことによって、例えば、媒体による、特に変換手段による一方の波長の吸収を、所望の状態に設定することが可能である。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、半導体デバイスによって放出される放射のスペクトル幅は、少なくとも５０ｎｍである。このスペクトル幅は、少なくも６５ｎｍであることが好ましい。この場合、スペクトル幅は、連続的なスペクトル範囲であるように定義される。スペクトル幅のこの範囲の境界は、放射強度が、その範囲内の強度の最大値の約１３．６％に低下している領域として定義される。
したがって、境界は、最大強度をｅ２によって除した値に対応する（ｅはオイラー数を表しており約２．７１である）。「連続的な」とは、スペクトル幅の範囲内の強度が、境界の値を下回らないことを意味する。強度は、例えば、放射のスペクトル強度密度、あるいは放射パワー密度を意味するものと理解されたい。したがって、強度またはパワーは、例えば、１ｎｍまたは２ｎｍ間隔において測定される。この間隔は、スペクトル幅の１／２０以下であるように選択するべきである。半導体デバイスによって放出される光のスペクトル幅が大きいと、発光手段の演色性を高めることができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、演色評価数Ｒａは、少なくとも８０、好ましくは少なくとも８５、特に、少なくとも９０である。演色評価数（略してＣＲＩ）は、所定の標準光源によって照らしたときと比較して、評価対象の光源（すなわち発光手段）によって照らしたときの、所定の試験色の平均の色ずれの大きさを指定する。最高の演色評価数は１００であり、色ずれが生じない光源に相当する。Ｒａは、８つの試験色、特に、最初の８つの試験色を使用してＣＲＩを求めることを意味する。演色評価数の測定および定義に関するさらなる説明は、特許文献４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入れられている。少なくとも８０の演色評価数によって、発光手段の高い演色性が確保される。これに代えて、演色性を別の評価数によって、例えばＣＱＳ（color quality scale）によって指定することもできる。異なる評価数の値は、対応するＣＲＩ値に変換する必要がある。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、発光手段の効率は、少なくとも６０ｌｍ／Ｗ、好ましくは少なくとも７０ｌｍ／Ｗである。このことは、第１の波長が、半導体デバイスの効率が最大であるスペクトル範囲内に位置していることによって可能である。このような発光手段は、電気エネルギから放射エネルギへの変換の効率が高い。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、発光手段の色温度は、２５００゜Ｋ〜６５００゜Ｋの間（両端値を含む）、好ましくは２７００゜Ｋ〜４０００゜Ｋの間（両端値を含む）、特に、２９００゜Ｋ〜３４００゜Ｋ（の間）（両端値を含む）にある。色温度とは、評価対象の放射（すなわち本発光手段の放射）の色度座標に最も近い色度座標を有する黒体放射体の温度である。この最も近い色温度は、相関色温度（略してＣＣＴ）とも称する。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、変換手段は、第１の波長を有する光の少なくとも５０％、特に、少なくとも９５％を、異なる波長を有する放射に変換し、第２の波長を有する光の最大で９０％を、異なる波長を有する放射に変換する。すなわち、変換手段を透過した後、第１の波長のスペクトル範囲内に存在する第１の波長の強度またはパワーは、変換手段を通過する前における第１の波長のスペクトル範囲の強度またはパワーの最大で５％である。第２の波長については、この値は少なくとも１０％である。言い換えれば、第１の波長の方が、第２の波長よりも高い割合だけ変換手段によって変換される。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、変換手段による第１の波長の変換と第２の波長の変換との差は、少なくとも５％、特に、少なくとも１０％であり、第２の波長の方が、変換される割合が小さい。言い換えれば、第１の波長のうち変換手段によって異なる波長に変換される割合がＸ％であるならば、第２の波長の対応する割合は、最大で（Ｘ−５）％、特に、最大で（Ｘ−１０）％である。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、第２の波長は、変換手段によって実質的に変換されない、すなわち、第２の波長における放射パワーの少なくとも７５％は変換手段を透過する。したがって、主として第１の波長が変換されるように、第１の波長および第２の波長と変換手段の吸収とが調整される。これにより、第２の波長のスペクトル位置によって、発光手段の高い演色性を確保することができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、第１の波長は４３０ｎｍ付近であり、第２の波長は４７０ｎｍ付近である。すなわち、第１の波長のスペクトル範囲が４３０ｎｍを含んでおり、第２の波長のスペクトル範囲が４７０ｎｍを含んでいる（それぞれ±１０ｎｍ）、または、第１の波長および第２の波長が上記のスペクトル範囲内に最大強度を有する。好ましくは、第１の波長と４３０ｎｍとの間のスペクトル距離は、スペクトル幅（略してＦＷＨＭ）よりも小さい、特に、スペクトル幅（略してＦＷＨＭ）の１／３よりも小さい。第２の波長についても、対応する状況が同様にあてはまることが好ましい。このようにして選択される第１の波長および第２の波長によって、発光手段の高い効率および高い演色性を実現することが可能である。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、半導体デバイスは、少なくとも６００ｎｍの第３の波長を有する光を動作時に放出する少なくとも１つの半導体チップ、を備えている。この半導体チップの放射は、特に、赤色のスペクトル範囲内、特に、６００ｎｍ〜７８０ｎｍの間、好ましくは６００ｎｍ〜６３０ｎｍの間にある。第３の波長の定義は、第１の波長および第２の波長の場合の対応する定義と同じである。すなわち、第３の波長は、半導体チップの対応する発光帯に対応するスペクトル範囲を意味する。第３の波長は、この発光帯の最大値を表す。第３の波長のＦＷＨＭ幅は、好ましくは少なくとも２０ｎｍであり、特に、少なくとも３０ｎｍである。赤色のスペクトル範囲内で放出する半導体チップを使用することによって、長波長のスペクトル範囲における演色性を向上させることができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、本発光手段は制御ユニットを備えており、この制御ユニットを使用して、第１の波長の強度と第２の波長の強度の比率を設定することができる。制御ユニットは、例えば、第１の波長で放出する第１の半導体チップと、第２の波長で放出する第２の半導体チップの通電を決定する１つまたは複数の電気抵抗器の形として構成することができる。制御ユニットがこのような抵抗器を備えている場合、抵抗器の抵抗値を固定する、または調整可能とすることができる。抵抗器の抵抗値を固定する場合、この設定は発光手段の製造時に行われることが好ましい。抵抗器が（例えばポテンショメータの形で）可変式に設定される、または調整可能である場合、例えば、発光手段の動作中であっても発光手段の色温度を設定することができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、第２の波長は、変換手段の主動作範囲（main operating range）よりも低い波長である。変換手段の主動作範囲とは、変換手段の最も強い発光帯が位置するスペクトル範囲を意味する。主動作範囲は、連続的なスペクトル範囲である。主動作範囲の境界は、主動作範囲の最大強度の約１３．６％に相当する強度を有する。主動作範囲内では、強度は境界における強度を下回らない。第２の波長が主動作範囲の外側にある場合、発光手段によって放出される光のスペクトル範囲は実質的に広がる。これによって、発光手段の演色性が向上する。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、変換手段は、少なくとも１種類の無機セリウムまたはイットリウムを含有する固体を含んでいる。変換手段は、複数の異なる物質の混合物とすることができる。変換手段は、異なる材料組成を有する構造化された複数の層として形成することができる。複数の異なる物質を有する変換手段を使用することによって、スペクトル幅の広い主動作範囲と良好な演色性とを達成することができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、変換手段は、２種類の無機蛍光体、特に、正確に２種類の無機蛍光体を含んでいる。一方の蛍光体（蛍光体Ａ）は、黄色または緑色のスペクトル範囲内で放出する。他方の蛍光体（蛍光体Ｂ）は、赤色のスペクトル範囲内で放出する。蛍光体Ａの放出の主波長は、好ましくは５４０ｎｍ〜５８０ｎｍの間（両端値を含む）、特に好ましくは５５０ｎｍ〜５７５ｎｍの間（両端値を含む）にある。蛍光体Ｂの放出の主波長は、好ましくは５９０ｎｍ〜６１５ｎｍの間（両端値を含む）、特に好ましくは５９５ｎｍ〜６１０ｎｍの間（両端値を含む）にある。この場合、主波長とは、特に、蛍光体の放出が最大である波長である。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、蛍光体Ａの吸収の最大値は、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの間（両端値を含む）にあるのに対して、蛍光体Ｂは、短波長方向に単調に増大する吸収率を有することが好ましい。蛍光体Ｂの吸収は、特定の狭い範囲内の最適領域または最大領域を有する必要はない。この場合、再吸収の確率が最小になるように、蛍光体Ａの放出と蛍光体Ｂの吸収を互いに調整することができる。言い換えれば、例えば、蛍光体Ａによって放出される放射は、蛍光体Ｂによって吸収されない、または無視できるわずかな程度吸収されるのみであり、この逆も同様である。さらには、演色のパラメータおよび効率を同時に最適化するうえで特に好ましいスペクトルが発生するように、蛍光体Ａの吸収の最大値と、少なくとも１つの半導体チップによって放出される２つの波長とを、互いに調整することができる。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、蛍光体Ａは、蛍光体であるイットリウムアルミニウムガーネット（略してＹＡＧ）のセリウムドープ誘導体（cerium-doped derivative）であり、一般的な組成式は、（Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋である。蛍光体Ｂは、例えば、一般的な組成式が（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋あるいは（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）２Ｓｉ２Ｎ５：Ｅｕ２＋である、ユウロピウムドープ窒化物（Eu-doped nitride）とすることができる。
発光手段が、２つの異なる波長を放出する半導体デバイスを有することによって、より少ない数の異なる蛍光体によって所定の演色性を達成することができる。言い換えれば、使用するべき蛍光体の数を減らすことができる。結果として、その一方で、発光手段の効率を高めることも可能であり、なぜなら、変換された放射の再吸収を減少または回避できるためである。特に、複数の異なる蛍光体を使用するときには、それら異なる蛍光体による再吸収によって、発光手段の効率が低下することがある。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、第１の波長は４３０ｎｍ付近であり、第２の波長は４７０ｎｍ付近であり、それぞれ許容誤差は１０ｎｍである。変換手段は、第１の波長のうちのある割合を、異なる波長を有する放射に変換し、この割合は、第２の波長の対応する割合よりも少なくとも５％大きく、第２の波長は、変換手段の主動作範囲よりも低い波長である。
本発光手段の少なくとも一実施形態によると、第１の波長を有する放射と、第２の波長を有する放射の両方が、変換手段を通過し、第１の波長の放射の少なくとも５０％が、異なる波長を有する放射に変換され、第２の波長を有する放射の最大で９０％が波長変換される。
本文書に記載した発光手段を使用することのできるいくつかの用途分野としては、例えば、一般的な照明と、ディスプレイおよびインジケータ装置のバックライトである。さらには、本文書に記載した発光手段は、例えば、投影用の照明装置、ヘッドライト、発光器（light emitter）にも使用することができる。
以下では、ここまでに記載した発光手段について、例示的な実施形態に基づいて図面を参照しながらさらに詳しく説明する。この場合、個々の図面において同じ参照記号は同じ要素を示している。しかしながら、互いの大きさの関係は示していない。むしろ、理解を促進する目的で、個々の要素を誇張した大きさで示してある。
本文書に記載した半導体デバイスの例示的な実施形態の概略的な断面図を示している。 本文書に記載した発光手段の例示的な実施形態の概略的な断面図を示している。 半導体デバイスによって放出される放射のスペクトル（図３Ａ，図３Ｄ）および色度座標（図３Ｃ，図３Ｆ）の概略図と、本文書に記載した（図３Ｄ〜図３Ｆ）発光手段の例示的な実施形態の変換手段を通過した後の放射のスペクトル（図３Ｂ，図３Ｅ）を示している。 半導体デバイスによって放出される放射のスペクトル（図３Ａ，図３Ｄ）および色度座標（図３Ｃ，図３Ｆ）の概略図と、本文書に記載した（図３Ｄ〜図３Ｆ）発光手段の例示的な実施形態の変換手段を通過した後の放射のスペクトル（図３Ｂ，図３Ｅ）を示している。 半導体デバイスによって放出される放射のスペクトル（図４Ａ，図４Ｄ）および色度座標（図４Ｃ，図４Ｆ）の概略図と、本文書に記載した（図４Ｄ〜図４Ｆ）発光手段の例示的な実施形態の変換手段を通過した後の放射のスペクトル（図４Ｂ，図４Ｅ）を示している。 半導体デバイスによって放出される放射のスペクトル（図４Ａ，図４Ｄ）および色度座標（図４Ｃ，図４Ｆ）の概略図と、本文書に記載した（図４Ｄ〜図４Ｆ）発光手段の例示的な実施形態の変換手段を通過した後の放射のスペクトル（図４Ｂ，図４Ｅ）を示している。
図１および図２は、半導体デバイス２および半導体チップ２０の例示的な実施形態と、発光手段１の例示的な実施形態を示している。図３および図４は、スペクトルの特性を詳細に示している。
図１Ａは、発光手段１において使用することのできる半導体デバイス２の例示的な実施形態の概略的な断面図を示している。基体４（例えば射出成形法あるいはダイキャスト法によって形成できる）は、切り欠き部１０を有する。切り欠き部１０には、２つの半導体チップ２０ａ，２０ｂが取り付けられている。半導体チップ２０ａは、第１の波長Ｌ１を有する第１の放射を放出し、半導体チップ２０ｂは、第２の波長Ｌ２を有する第２の放射を放出する。半導体チップ２０ａ，２０ｂとは反対の切り欠き部１０の側には、板またはディスクの形の変換手段３が取り付けられている。基体４と変換手段３とによって空洞６が形成されている。
変換手段３は、半導体チップ２０ａ，２０ｂから隔置されている。変換手段３と半導体チップ２０ａ，２０ｂとの間の距離によって、半導体チップ２０ａ，２０ｂによって放出される放射を、変換手段３から出て行くまでに混合することが可能になっている。
図１Ａにおいては、２つの半導体チップ２０ａ，２０ｂは活性ゾーン２１を有し、動作時、この活性ゾーン２１において放射が発生する。したがって、２つの半導体チップ２０ａ，２０ｂは、活性領域２１において、異なる波長を有する放射を放出する。
例示的な実施形態の説明において本質的ではない半導体デバイス２の構成部分（例えば電気コンタクトの接続部）は、図１Ａおよび以降の図に示していない。
図１Ｂは、半導体チップ２０を示している。この半導体チップ２０は、２つの活性領域２１ａ，２１ｂを備えている。活性領域２１ａは、半導体チップ２０の動作時に第１の波長Ｌ１を有する放射を放出するように構成されている。活性領域２１ｂでは、第２の波長Ｌ２を有する放射が発生する。活性ゾーン２１ａとは反対側の半導体チップ２０の面には、変換手段３を有する層が形成されている。したがって、半導体チップ２０は、異なる波長Ｌ１，Ｌ２を放出する２つの活性ゾーン２１ａ，２１ｂを備えている。結果として、半導体チップ２０は、動作時に異なる波長Ｌ１，Ｌ２で放出する。
図１Ｃは、１つの活性ゾーン２１を有する半導体チップ２０を示している。垂直方向Ｖにおける活性ゾーン２１の範囲に関して、第１の部分２２が第２の部分２３の上に位置している。第１の部分２２は、例えば、部分２３とは異なる構造の量子井戸を備えている。第１の部分２２および第２の部分２３は、例えば、それぞれが３層の量子井戸を有することができ、これらの層は垂直方向Ｖに実質的に垂直に延在している。第１の部分２２および第２の部分２３は、トンネル接合によって互いに接続されていない。動作時、第１の波長Ｌ１を有する放射が活性ゾーンの第１の部分２２において発生し、第２の波長Ｌ２を有する放射が第２の部分２３において発生する。第１の部分２２および第２の部分２３は、例えば異なるドーピングを有する。言い換えれば、半導体チップ２０は、１つのみの活性ゾーンを備えており、動作時、この活性ゾーンにおいて第１の波長Ｌ１および第２の波長Ｌ２が発生する。
半導体チップ２０の主面１２には、変換手段３が層として形成されている。変換手段３を備えている層は構造化されている。すなわち、活性ゾーン２１の主延在方向に平行な方向における変換手段３の厚さは、活性ゾーン２１の第１の部分２２の上の中央領域１３よりも、縁部領域１４において薄い。
図１Ｄは、活性ゾーン２１およびルミネセンス構造２５を有する半導体チップ２０を備えている半導体デバイス２を示している。動作時、活性ゾーン２１において、第１の波長Ｌ１を有する放射が発生する。この放射は、その一部分が、ルミネセンス構造２５において、第２の波長Ｌ２を有する放射に変換される。半導体チップ２０から出る放射は、切り欠き部１０に位置している変換手段３を通る。切り欠き部１０は、基体４によって形成されている。半導体チップ２０も、同様に切り欠き部１０の中に位置している。
図１に示した半導体デバイス２および半導体チップ２０は、例えば、電気コンタクトによって接続するための構造あるいは光の取り出しを向上させるための構造（図示していない）を有することができる。同様に、半導体デバイス２は、反射手段、拡散手段、吸収手段のうちの１つまたは複数を有することができる。これらは、被覆層として、もしくは混合物（admixture）として、またはその両方として具体化することができる。
図２は、発光手段１の例示的な実施形態を示している。半導体チップ２０（例えば図１Ｂまたは図１Ｃによる）と、さらなる半導体チップ２４（動作時に赤色スペクトル範囲内の第３の波長の放射を放出する）とが、キャリア７上に取り付けられている。キャリア７は、例えば酸化アルミニウムを有するセラミックによって形成されている。キャリア７と半導体チップ２０，２４は、半導体デバイス２を形成している。半導体デバイス２は制御ユニット５の上に貼り付けられている。半導体デバイス２の電力供給は、制御ユニット５によって行われる。チップ２０，２４の電力供給と、半導体チップ２０，２４によって放出される放射の強度の比率は、制御ユニット５によって設定することができる。同様に、制御ユニット５によって放射を調整式にすることも可能である。
基体４は、制御ユニット５および半導体デバイス２を環状または箱状に囲んでいる。基体４と制御ユニット５との間の機械的な結合を向上させる目的で、制御ユニット５はアンダーカット部１１を有する。制御ユニット５とは反対側の基体４の面には、変換手段３を備えているプレートが配置されている。半導体デバイス２とは反対側の変換手段３の面には、カバープレート８が設けられている。カバープレート８は、ガラスによって構成することができる。カバープレート８は、発光手段１の機械的な特性を向上させることができる。
カバープレート８は、図示したものではなく、光学要素（例えばレンズまたはマイクロレンズ）として同様に形成することもでき、また、例えばフィルタ手段あるいは散乱手段の形の少なくとも１種類の混合物を備えていることができる。
図３および図４は、発光手段１のスペクトル特性を示しており、発光手段１は、一例として、図１による少なくとも１つの半導体デバイス２または少なくとも１つの半導体チップ２０を有する、あるいは、例えば図２による構造を備えていることができる。
図３Ａ〜図３Ｃは、１つのみの放出波長ＬＥを有する半導体デバイス２を備えた発光手段１に関連する。図３Ａを参照し、放出波長ＬＥは約４５２ｎｍである。この場合、波長Ｌ（単位：ナノメートル）と放射パワーＰとがプロットしてある（波長間隔は幅２ｎｍ）。
図３Ｂは、変換手段３によって変換された後に得られるスペクトルを示している。変換波長ＬＫは約６００ｎｍである。変換手段３の主動作範囲Ｈ（放射パワーＰが波長ＬＫにおけるパワーＰの少なくとも１３．６％である範囲）は、５００ｎｍから７３０ｎｍにわたっている。図３Ｂ、図３Ｅ、図４Ｂ、図４Ｅのそれぞれにおいて、主動作範囲Ｈは、両方向の矢印によって示してある。変換手段３による変換に起因して、放出波長ＬＥにおけるパワーＰは約１／２０に減少している。
図３Ｃは、標準色度図から抜粋した図を示している。ｘ軸は放射の赤色成分を表しており、ｙ軸は緑色成分を表している。図３Ｂに示したスペクトルシグネチャは、発光手段１によって放出される光の色度座標Ｒ（座標０．４３および０．４１）に対応する。標準色度図において、この色度座標Ｒは黒体曲線９上に位置している。すなわち、色度座標Ｒは、黒体放射体の放射に対して条件等色である。発光手段１の色度座標Ｒに最も近い色度座標を有する黒体放射体の温度に対応する色温度は、約３０００゜Ｋである。すなわち、発光手段１によって放出される放射は、色温度３０００゜Ｋを有する。発光手段１の演色評価数は８０であり、効率は６９．５ｌｍ／Ｗである。
図３Ｄは、動作時に第１の波長Ｌ１および第２の波長Ｌ２の光を放出する半導体デバイス２を備えている発光手段１の放射パワーＰを、波長Ｌの関数として示している。第１の波長Ｌ１は４４４ｎｍであり、第２の波長Ｌ２は４６０ｎｍである。第１の波長Ｌ１における放射パワーＰは、第２の波長Ｌ２よりも高い。波長Ｌ１，Ｌ２は比較的近いため、波長Ｌ２の発光帯は、波長Ｌ１の発光帯の肩部として識別できるのみである。動作時に半導体デバイス２によって放出される放射のスペクトル幅Ｂ（両方向の矢印によって示してある）は、約５５ｎｍである。
図３Ｅは、半導体デバイス２によって放出される放射が変換手段３を通過した後の発光手段１の放出スペクトルを示している。変換波長ＬＫは約６００ｎｍであり、主動作範囲Ｈは約５００ｎｍから７３０ｎｍにわたっている。変換手段３は、第１の波長Ｌ１を有する放射を主として変換する。これによって、波長Ｌ１，Ｌ２の放射の互いに対するパワー比が変化する。したがって、図３Ｅでは、第２の波長Ｌ２の発光帯をはっきり認識できる。第２の波長Ｌ２は主動作範囲Ｈの外側に位置しており、主動作範囲Ｈに対してブルーシフトしている。
図３Ｆは、標準色度図から抜粋した図を示している。色度座標Ｒは、図３Ａ〜図３Ｃによる発光手段１の場合とほぼ同じ座標にあり、黒体曲線９上に位置している。発光手段１は、暖白色光を放出する。演色評価数は同じく８０であり、色温度は３０００゜Ｋである。しかしながら、効率は７４．３ｌｍ／Ｗであり大幅に高まっている。
図３Ｄ〜図３Ｆによる発光手段１では、図３Ａ〜図３Ｃの場合と色度座標Ｒが同じであり演色評価数が少なくとも同じであるが、効率は上昇している。これは、特に以下の理由が考えられる。
半導体デバイス２は、例えば材料系ＧａＮまたはＩｎＧａＮをベースとする半導体チップ２０を備えている。ＧａＮまたはＩｎＧａＮの材料特性に起因して、このような材料をベースとするオプトエレクトロニクス半導体チップの最大効率は、約４００ｎｍ〜４４０ｎｍのスペクトル範囲において得ることができる。すなわち、高い効率を達成するためには、放出波長ＬＥまたは第１の波長Ｌ１が４２０ｎｍ〜４４０ｎｍのスペクトル範囲にあることが好ましい。青色のスペクトル範囲では、人の目の感度が最も高いのは約４６０ｎｍである。したがって、高い演色評価数を得るためには、半導体デバイス２または半導体チップ２０を４６０ｎｍ付近の波長で動作させることが望ましい。言い換えれば、効率に関して最適なスペクトル範囲は約４３０ｎｍ付近であり、演色性に関して最適なスペクトル範囲は約４６０ｎｍである。
半導体チップの発光帯のＦＷＨＭ幅は、２０ｎｍ〜３０ｎｍのオーダーの大きさであるため、効率および演色性に関して最適な動作を１つの放出波長ＬＥによって得ることは難しい。したがって、第１の波長Ｌ１および第２の波長Ｌ２を使用することによって、第一に発光手段１の効率を高め、第二に演色性を高めることが可能である。
図４Ａは、４６０ｎｍの放出波長ＬＥを有する半導体チップの、波長Ｌに対する放射パワーＰを示している。図４Ｂは、変換手段３によって得られるスペクトルを示しており、主動作範囲Ｈは５００ｎｍ〜７３０ｎｍ、変換波長ＬＫは６００ｎｍである。図４Ｃは、標準色度図からの対応する抜粋図を示している。色度座標Ｒは、黒体曲線９上にはない。発光手段１によって放出される放射は、人の目には白色ではなく赤みがかって見える。演色評価数は８８であり、色温度は約３０００゜Ｋである。
図４Ｄは、４３８ｎｍの第１の波長Ｌ１と４８０ｎｍの第２の波長Ｌ２を有する半導体デバイス２を示している。スペクトル幅Ｂは約８０ｎｍである。発光手段１によって放出される光の演色評価数（図３Ｅおよび図３Ｆを参照）は９０であり、効率は６０．５ｌｍ／Ｗである。色度座標Ｒは黒体曲線９上に位置している。６００ｎｍの変換波長を有する変換手段３の主動作範囲Ｈは、５００ｎｍから７３０ｎｍにわたっている。第２の波長Ｌ２は、主動作範囲Ｈに対してブルーシフトしている（すなわち、より高い周波数にある）。変換手段３は、主として第１の波長Ｌ１を、変換波長ＬＫを有する放射に変換する。図４Ｄによる、半導体デバイス２によって直接放出される放射と比較して、変換された光では、第２の波長Ｌ２の方が第１の波長Ｌ１よりも大幅に強い。
ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの説明に制限されない。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も含まれる。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１０２００８０５０６４３．５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入れられている。

Claims (13)

  1. 発光手段（１）であって、
    − 動作時に少なくとも１つの第１の波長（Ｌ１）と少なくとも１つの第２の波長（Ｌ２）で電磁放射を放出する少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体デバイスであって、前記第１の波長（Ｌ１）および前記第２の波長（Ｌ２）が、互いに異なっており、前記第１の波長（Ｌ１）が４３０ｎｍ付近であり、前記第２の波長（Ｌ２）が４７０ｎｍ付近であり、それぞれの許容誤差が１０ｎｍである、
    前記オプトエレクトロニクス半導体デバイスと、
    − 前記第１の波長（Ｌ１）を、少なくとも部分的に、異なる周波数を有する放射に変換する少なくとも１つの変換手段（３）であって、この変換が、前記発光手段（１）によって放出される放射スペクトルが、標準色度図において、黒体曲線との間の平均距離が０．０５以下である色度座標を有するように行われる、前記変換手段（３）と、
    を備え、
    前記第２の波長（Ｌ２）は、前記変換手段（３）の主動作範囲よりも短い波長であり、前記変換手段（３）の主動作範囲は、前記変換手段（３）の最も強い発光帯が位置するスペクトル範囲を意味し、前記主動作範囲は、連続的なスペクトル範囲であり、前記主動作範囲の境界は、前記主動作範囲の最大強度の約１３．６％に相当する強度を有し、
    前記変換手段（３）は、前記第１の波長（Ｌ１）を有する光の第１の割合を変換し、前記第１の割合は少なくとも５０％であり、前記第２の波長（Ｌ２）を有する光の第２の割合を変換し、前記第２の割合は最大で９０％であり、前記第１の割合は前記第２の割合よりも少なくとも５％は大きく、
    前記変換手段（３）は第１の蛍光体Ａおよび第２の蛍光体Ｂを有し、蛍光体Ａの吸収の最大値は４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの間（両端値を含む）であるのに対して、蛍光体Ｂの吸収の最大値は短波長方向に単調に増大する吸収率を有し、
    前記第１および第２の波長（Ｌ１、Ｌ２）の放射が前記変換手段（３）に到達する前、前記第１の波長（Ｌ１）の放射は前記第２の波長（Ｌ２）の放射よりも高い最大強度を有し、
    前記第１および第２の波長（Ｌ１、Ｌ２）の放射が前記変換手段（３）を通った後、前記第１の波長（Ｌ１）の放射は前記第２の波長（Ｌ２）の放射よりも低い最大強度を有し、前記第２の波長（Ｌ２）の放射の最大強度は、前記変換手段（３）により放出される放射の最大強度よりも低く、
    前記蛍光体Ａは、主波長が５５０ｎｍ〜５７５ｎｍの間（両端値を含む）であり、前記蛍光体Ｂは、主波長が５９５ｎｍ〜６１０ｎｍの間（両端値を含む）である、
    発光手段（１）。
  2. 前記半導体デバイス（２）が、前記第１の波長（Ｌ１）で放出する少なくとも１つの半導体チップ（２０ａ）と、前記第２の波長（Ｌ２）で放出する少なくとも１つの半導体チップ（２０ｂ）とを備えている、
    請求項１に記載の発光手段（１）。
  3. 前記半導体デバイス（２）が、少なくとも２つの活性領域（２１ａ，２１ｂ）を備えている少なくとも１つの半導体チップ（２０）、を備えており、前記活性領域（２１ａ，２１ｂ）のうちの少なくとも第１の活性領域が、動作時に前記第１の波長（Ｌ１）を有する放射を放出するように設計されており、前記活性領域（２１ａ，２１ｂ）のうちの少なくとも第２の活性領域が、動作時に前記第２の波長（Ｌ２）を有する放射を放出するように設計されている、
    請求項１に記載の発光手段（１）。
  4. 前記半導体デバイス（２）が、第１の部分（２２）と第２の部分（２３）とを有する活性ゾーン（２１）、を有する少なくとも１つの半導体チップ（２０）、を備えており、動作時、前記第１の部分（２２）が前記第１の波長（Ｌ１）を有する放射を放出し、前記第２の部分（２３）が前記第２の波長（Ｌ２）を有する放射を放出する、
    請求項１に記載の発光手段（１）。
  5. 前記半導体デバイス（２）によって放出される前記放射のスペクトル幅（Ｂ）が少なくとも５０ｎｍである、
    請求項１から請求項４のいずれかに記載の発光手段（１）。
  6. 前記蛍光体Ａは、一般的な組成式が（Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋である、
    請求項１から請求項５のいずれかに記載の発光手段（１）。
  7. 前記蛍光体Ｂは、一般的な組成式が（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋あるいは（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）２Ｓｉ２Ｎ５：Ｅｕ２＋である、
    請求項１から請求項６のいずれかに記載の発光手段（１）。
  8. 前記発光手段（１）の色温度が、２５００゜Ｋ〜６５００゜Ｋ（の間）（両端値を含む）である、
    請求項１から請求項７のいずれかに記載の発光手段（１）。
  9. 前記第１の割合は前記第２の割合よりも少なくとも１０％は大きい、
    請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光手段（１）。
  10. 前記第２の波長（Ｌ２）で放射パワーの少なくとも７５％が前記変換手段（３）を透過し、前記第１の波長（Ｌ１）で放射パワーの少なくとも９５％が前記変換手段（３）によって変換される、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載の発光手段（１）。
  11. 前記半導体デバイス（２）が、少なくとも６００ｎｍの第３の波長を有する光を動作時に放出する少なくとも１つの半導体チップ（２）、を備えている、
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載の発光手段（１）。
  12. 前記第１の波長（Ｌ１）の強度と前記第２の波長（Ｌ２）の強度の比率を設定する目的に使用できる制御ユニット（５）、
    を備えている、
    請求項２に記載の発光手段（１）。
  13. 前記変換手段（３）は前記第１の波長（Ｌ１）の放射の少なくとも９５％を波長変換し、前記第２の波長（Ｌ２）の放射の最大で９０％を波長変換する、
    請求項１から請求項１２のいずれかに記載の発光手段（１）。
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