JP7254906B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

発光素子について規定する。

本開示の目的は、その用途において特に可撓性発光素子を規定することである。

動作中に発光素子は、電磁放射、特に光線を放射する。発光素子は、好ましくは、動作中に白色光を生成するように設計されてもよい。発光素子は、例えば、照明器具の光源として使用することができる。発光素子自身が照明器具を形成することも考えられる。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、発光素子は、動作中に青色光を放射する第１の半導体チップを含む。第１の半導体チップは、例えば、レーザダイオードチップ又は発光ダイオードチップなどのルミネッセンスダイオードチップである。動作中に第１の半導体チップは、好ましくは半導体本体の活性領域において直接的に青色光を発生する。これは、第１の半導体チップが蛍光体を使用せずに動作中に青色光を発生することを意味する。これにより、特に狭いスペクトル半値幅で青色光を放射することが可能となる。青色光は、青色光の強度が最大となるピーク波長を有する。例えば、青色光のピーク波長は、最低４５０ｎｍ～最高４７８ｎｍの間である。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、発光素子は動作中にシアン色光を放射する第２の半導体チップを含む。第２の半導体チップは、例えば、レーザダイオードチップ又は発光ダイオードチップなどのルミネッセンスダイオードチップである。動作中に第２の半導体チップは、好ましくは半導体本体の活性領域内で直接的にシアン色光を生成する。これは、第２の半導体チップが蛍光体を使用せずに動作中にシアン色光を発生することを意味する。これにより、シアン色光を特に狭いスペクトル半値幅で放射することができる。シアン色光は、シアン色光の強さが最大となるピーク波長を有する。例えば、シアン色光のピーク波長は、最低４８０ｎｍ～最高４９０ｎｍの間である。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、部品は、動作中に二次放射を放出する変換素子を含む。変換素子は、少なくとも１つの蛍光体を含むか、又は少なくとも１つの蛍光体からなる。変換素子は、一次放射で励起され、好ましくは一次放射よりも低いエネルギーの二次放射を放出する。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、変換素子は、第１の半導体チップの下流側に配置される。これは、変換素子が、例えば青色光の放射方向で第１の半導体チップに続いて配置され、その結果、第１の半導体チップからの青色光が少なくとも部分的に変換素子に入ることを意味する。例えば、第１の半導体チップが変換素子に埋め込まれていること、又は変換素子が半導体チップの放射出口表面に直接又は距離を置いて第１の半導体チップに続いて配置することが可能である。

発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、変換素子は、第１の半導体チップの青色光で励起されて二次放射を放出する。これは、変換素子の少なくとも１つの蛍光体が青色光を少なくとも部分的に吸収し、低エネルギー二次放射を再放出するように構成されることを意味する。例えば、青色光のピーク波長が、変換素子の少なくとも１つの蛍光体の最大吸収の範囲内にあるように、第１の半導体チップと変換素子とが互いに整合される。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、変換素子の二次放射は、青色光と混合して温白色光を形成する。これは、変換素子が青色光で励起されたときに温白色光を発するように設計されていることを意味する。対応する変換素子の蛍光体は、例えば、国際公開公報２０１１／０２０７５１Ａ１、国際公開公報２０１１／０２０７５６Ａ１及び国際公開公報２０１３／０５６８９５Ａ１に記載されている。これらの公報の開示は、本明細書中に参考として明確に含まれる。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、部品は、動作中に青色光を放射する第１の半導体チップと、動作中にシアン色光を放射する第２の半導体チップと、動作中に二次放射を放出する変換素子とを含む。変換素子は、第１の半導体チップの下流側に配置され、変換素子は、第１の半導体チップの青色光で励起して二次放射を放出し、二次放射は、青色光と混合して温白色光を形成する。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、部品は、動作中に温白色光及びシアン色光から混合光を放出するように構成される。温白色光とシアン色光との混合は、例えば、第１の半導体チップ、第２の半導体チップ及び変換素子の下流側に配置される光学素子によって達成され得る。さらに、変換素子を第１の半導体チップと第２の半導体チップの下流側に配置することで光混合を達成できる。このようにして、変換素子は、二次放射を生成する役割を果たすだけでなく、温白色光を第２の半導体チップのシアン色光と混合させる。

発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の半導体チップと第２の半導体チップとを互いに独立して動作させることができる。これは、放射放出半導体部品において、第１の半導体チップを動作させること又は、第２の半導体チップを動作させること又は、第１の半導体チップ及び第２の半導体チップを同時に動作させることもできることを意味する。これは、例えば、発光素子の一部である制御デバイス又は、発光素子とは別個に配置された制御デバイス又は、少なくとも１つの発光素子を動作させるように構成された制御デバイスによって行われてもよい。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、混合光の色温度は調整可能である。これは、混合光の色温度を少なくとも２つの値から選択することができることを意味する。さらに、混合光の色温度を３つ以上の値から選択することができ、又は混合光の色温度をほぼ無限に変化させることができる。

発光する白色光の相関色温度（略して、色温度）が調整可能なところでは、発光素子が有利であることが分かっている。発光素子の発光表面にわたる色度座標分布に関して不均一性を生じることなく、規定可能な温度領域内で色温度を変化させることができる場合に有利である。さらに、色温度が部品内で調整されるので、外部の光学素子による適合が不要であると好都合である。

温白色光を一緒に放射する、第１の半導体チップと変換素子とを組合せてシアン色の第２の半導体チップを用いることにより、高い演色評価数を維持しながら、色温度を変化させ、調整できることが示されている。

動作中にシアン色光を発する第２の半導体チップを動作させることにより、色温度を冷白色光にシフトさせることができる。このことは、第１の半導体チップと比較して第２の半導体チップが動作される強度が大きいほど、又は第１の半導体チップと比較して第２の半導体チップが動作される出力が大きいほど、色温度を冷白色領域によりシフトさせることができることを意味する。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、混合光の色温度は、最低値と最高値との間で調整可能であり、最低値と最高値との間の差分は、少なくとも１５００Ｋである。

混合光の色温度の最低値については例えば、シアン色の第２の半導体チップは、温白色光を生成するように動作しない。最高値、及び冷白色光に関して、例えば、第２の半導体チップを最大出力又は最大強度で動作させることができる。動作中に青色光を発し、主に変換素子を励起する第１の半導体チップは、常時同じ強度又は出力で動作させることができ、又は第１の半導体チップを動作させる強度及び／又は出力を最高値に向かって低下させて色温度を変化させることができる。第１の半導体チップ及び第２の半導体チップが動作する強度及び／又は出力の比率に応じて、色温度、したがって放出される混合光の色位置は、連続的又は準連続的に調整することができる。ここで、「準連続的」とは、色温度の変化が、人間の観察者にほとんど知覚されないように生じることを意味する。例えば、混合光の色温度の最低値は、３０００Ｋであり、混合光の色温度の最高値は、５０００Ｋである。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、変換素子は、第２の半導体チップの下流側に配置される。このために、例えば、第１の半導体チップ及び第２の半導体チップを変換素子に埋め込むことができる。このケースでは、両方の光電子半導体チップが同じ変換素子に埋め込まれているので、発光素子は特に小型である。この場合、変換素子はシアン色光を温白色光と混合するのにも役立ち、さらなる混合光学系を不必要にする。特に、シアン色光は、変換素子を通過する際にほとんど又は全く変換されないことがあり得る。例えば、最大１０％、特にそのエネルギーに対するシアン色光の最大５％が、より長い波長の光へ変換素子によって変換される。変換素子は、特にシアン色光に対して透明である。

発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の半導体チップ、第２の半導体チップ及び変換素子は、共通のハウジングに配置される。このハウジングは、例えば、第１の半導体チップ及び第２の半導体チップが配置された底部にキャビティを有する。このキャビティでは、半導体チップが変換素子に埋め込まれるように、変換素子によって囲まれ、覆われてもよい。有利には、この場合、混合光を形成するための温白色光とシアン色光との混合は、ハウジング内で行うことができる。このために、ハウジングは、例えば、シアン色及び温白色光を反射するように設計された半導体チップ及び変換素子に面する内部表面を有してもよい。

本発光素子の少なくとも１つの実施形態によれば、第２の半導体チップは、最低４８０ｎｍから最高４９０ｎｍの間のピーク波長を有する電磁放射を放出するように構成された活性領域を含む。これは、シアン色光が追加の変換素子や追加の蛍光体を使用することなく、半導体チップによって直接的に生成されることを意味する。これはまた、発光素子の特に小型のデザインを可能にする。

ここで説明する発光素子は、とりわけ、デバイス内で色温度を変更できるというメリットを提供する。これは、例えば変換素子の露出された外部表面のような１つの発光表面のみが、全ての色温度及び色度座標に対して考慮されなければならないという利点を有する。これにより、発光素子の下流側に配置される光学系を、特に簡単な方法で設計することができる。

さらに、混合光に対する色温度の局所的な分離もない。これは、発光素子が、発光外側表面全体にわたって均一に同じ色温度の光を放出することができることを意味する。これは追加の光学素子が発光素子の後段に配置される場合に特に有利であり、その理由はこれらが単一の発光表面に最適化され得るからである。さらに、追加の混合光学系を省略することができる。

総合的には、部品内で光を混合して混合光を形成することにより、発光素子及び光学系の部品数を減らすことができる。

さらに、発光素子は、特に制御が容易であり、それは混合光の色温度は、例えば第２の半導体チップへの電流供給のみに依存できるためである。

以下では、本明細書で説明される発光素子が例となる実施形態及び関連する図によってより詳細に説明される。

概略的な断面図によって、本明細書に記載される発光素子の一例となる実施形態を示す。 図形処理の応用に基づいて、本明細書で説明される発光素子の例となる実施形態がより詳細に説明される。 図形処理の応用に基づいて、本明細書で説明される発光素子の例となる実施形態がより詳細に説明される。 図形処理の応用に基づいて、本明細書で説明される発光素子の例となる実施形態がより詳細に説明される。

図中、同一、類似又は均等物の要素には同一の符号が付されている。図及び図中に表される要素の相互の比率は、一定の縮尺で正しいと見なされるべきではない。むしろ、個々の要素は、より良好な表現及び／又はより良好な理解のために、誇張される場合がある。

図１の例となる実施形態の発光素子は、動作中に青色光を放射する第１の半導体チップ１を含む。青色光は、例えば、図４のスペクトル４４の左側のピークと比較して、約４７５ｎｍであり得るピーク波長を有する。

第１の半導体チップは、好ましくは直接的に、例えば活性領域１５内で青色光５１を生成する。

発光素子は、動作中に活性領域２５からシアン色光５２を放射する第２の半導体チップをさらに含む。２つの放射放出半導体チップ１、２はハウジング６に配置されている。さらに、それらは変換素子３によって取り囲まれている。変換素子３は、例えば、エポキシレジン及び／又はシリコーンのような半透明のプラスティック素材で形成されたマトリックス材料３２を有する。蛍光体３１の粒子は、マトリックス材料３２に組み込まれる。

青色光５１は、蛍光体３１に当たり、二次放射５３を生成する。二次放射５３と青色光５１は変換素子３内で混合され、温白色光５４を形成する。温白色光５４は、変換素子３内のシアン色光５２と混合され、混合光５５を形成することができ、その色温度は調整可能である。

色温度の調整については、例えば図２を用いてより詳細に説明する。図２は、プランク曲線５を持つＣＩＥ ＣＸ、ＣＹ図を示している。図は、おおよそ４８７ｎｍのピーク波長を有するシアン色光を発光する、第２の半導体チップ２に対する第１の転換ライン２１を示す。さらに、約４８５ｎｍのピーク波長を有するシアン色光のための第２の転換ライン２２が描かれている。最後に、約４８２ナノメートルのピーク波長を有するシアン色光について第３の転換ライン２３が描かれている。

図２の説明から分かるように、異なるピーク波長の第２の半導体チップ２を使用して、色温度を調整するための異なる範囲を選択することができる。色温度は、値ＴｍｉｎとＴｍａｘの間で調整することができ、それらは転換ラインとプランク曲線５との交点によって決まる。第２の転換ライン２２は、例えば、色温度を約３０００ＫのＴｍｉｎと約５０００ＫのＴｍａｘとの間に調整することができる。

これは、第１の半導体チップの光５１と一緒に温白色光を発する変換素子３のための蛍光体混合を必要とする。

図３は、第２の半導体チップ２のピーク波長が４８０ｎｍである第４の転換ライン２４についての図２に対応するアプリケーションを概略的に示す。このようなシアン色光を用いると、特に高い色温度の冷白色光を生成することができる。

図４は、説明のための種々のスペクトルを示す。スペクトル４１は、第１の半導体チップ及び変換素子３によって生成される温白色光のスペクトルである。これに比べて、スペクトル４２は、第１の半導体チップ１で生成された冷白色光のスペクトルと、冷白色光の生成のための蛍光体混合とを示す。スペクトル４３は、４８２ｎｍにピーク波長を有する第２の半導体チップ２のスペクトルである。スペクトル４４は、スペクトル４２とスペクトル４３との重ね合わせを示す。

図と関連して記載された特徴及び例となる実施形態は、全ての組合せが明示的に記載されていなくても、さらなる例となる実施形態に従って互いに組み合わせることができる。さらに、図と関連して記載された例となる実施形態は、代替案として又は追加案として、概括的部分に記載されるようなさらなる特徴を有してもよい。

本特許出願は、ドイツ特許出願第１０２０１８１２３０１０．９号の優先権を主張し、その開示内容は、引用により本明細書に組み込まれる。

なお、本発明は、これに基づく説明による例となる実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明は、この特徴又はこの組合せ自身が請求項又は例としての実施形態に記載されていない場合であっても、任意の新しい特徴及び特徴の任意の組合せを含み、特に、請求項において特徴の任意の組合せを含む。

１ 第１の半導体チップ（青色）
１５ 活性領域
２ 第２の半導体チップ（シアン色）
２１ 第１の転換ライン
２２ 第２の転換ライン
２３ 第３の転換ライン
２４ 第４の転換ライン
２５ 活性領域
３ 変換素子
３１ 蛍光体
３２ マトリックス材料
４１ 第１の半導体チップ１によって生成される温白色光のスペクトル
４２ 第１の半導体チップ１によって生成される冷白色光のスペクトル
４３ 第２の半導体チップ２のスペクトル
４４ スペクトル４２とスペクトル４３との重ね合わせのスペクトル
５ プランク曲線
５１ 青色光
５２ シアン色光
５３ 二次放射
５４ 温白色光
５５ 混合光
６ ハウジング

Claims (8)

1. 動作中に青色光（５１）を放出する第１の半導体チップ（１）と、
   動作中にシアン色光（５２）を放出する第２の半導体チップ（２）と、
   動作中に二次放射（５３）を放出する変換素子（３）と、
   を含む発光素子であって、
   前記変換素子（３）は、前記第１の半導体チップ（１）と前記第２の半導体チップ（２）の下流側に配置され、
   前記変換素子（３）は、前記第１の半導体チップ（１）の前記青色光（５１）で励起されて前記二次放射（５３）を放出し、
   前記シアン色光は、前記変換素子（３）を通過するときに、ほとんど又は全く変換されず、
   前記二次放射（５３）は、前記青色光（５１）と混合されて、温白色光（５４）を形成し、
   前記発光素子は、動作中に前記温白色光（５４）と前記シアン色光（５２）から混合光（５５）を放射するように構成され、
   前記混合光（５５）の色温度は、最低値（Ｔｍｉｎ）と最高値（Ｔｍａｘ）との間で調整可能であり、前記最低値（Ｔｍｉｎ）と前記最高値（Ｔｍａｘ）との間の差は、少なくとも１５００Ｋであり、
   前記第１の半導体チップを動作させる強度及び／又は出力を、前記色温度の前記最高値（Ｔｍａｘ）に向かって低下させて前記色温度を変化させる、
   発光素子。
2. 前記第１の半導体チップ（１）及び前記第２の半導体チップ（２）は、互いに独立して動作することができる、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記変換素子（３）が、前記温白色光（５４）と前記シアン色光（５２）との混合を支持するか、又は引き起こす、請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記第１の半導体チップ（１）及び前記第２の半導体チップ（２）は、前記変換素子（３）に埋め込まれている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記第１の半導体チップ（１）、前記第２の半導体チップ（２）及び前記変換素子（３）は、共通のハウジング（６）内に配置されている、請求項１又は２に記載の発光素子。
6. 前記混合光（５５）を形成するための、前記温白色光（５４）と前記シアン色光（５２）との混合が、前記ハウジング（６）内で行われる、請求項５に記載の発光素子。
7. 前記第２の半導体チップ（２）が、最低４８０ｎｍ～最高４９０ｎｍの間のピーク波長を有する電磁放射を放出するように構成された活性領域（２５）を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光素子。
8. 前記放射された混合光の前記色温度は、連続的又は準連続的に調整される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光素子。

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