KR20130077871A - 광전자 반도체 소자 및 산란체 - Google Patents

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Abstract

광전자 반도체 소자(1)의 적어도 하나의 실시예에서, 상기 반도체 소자는 광전자 반도체 칩(2)을 구비한다. 또한, 상기 반도체 소자(1)는 적어도 하나의 산란체(34)를 포함하며, 상기 산란체는 방사선 투과성 매트릭스 재료(3)와 상기 매트릭스 재료 내부에 매립되는, 입자 재료로 이루어진 산란 입자(4)를 함유한다. 상기 산란체(34)는 반도체 칩(2) 다음에 배치되었다. 온도 변화시에는 상기 매트릭스 재료(3)와 상기 입자 재료 사이의 굴절률 차이가 변한다. 온도가 300K일 때, 상기 매트릭스 재료와 상기 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 최대 0.15이다.

Description

광전자 반도체 소자 및 산란체 {OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT AND SCATTERING BODY}
본 발명은 광전자 반도체 소자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 광전자 반도체 소자를 위한 산란체와도 관련이 있다.
본 발명에서 해결하려는 과제는, 대체로 안정적인 스펙트럼 방출 특성을 나타내는 광전자 반도체 소자를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명에서 해결하려는 과제는, 이러한 반도체 소자를 위한 산란체를 제공하는 것이다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 상기 광전자 반도체 소자는 하나 또는 다수의 광전자 반도체 칩을 포함한다. 반도체 칩들로는 특히 Ⅲ-Ⅴ-반도체 재료를 기본으로 하는 반도체 칩들이 이용된다. 예를 들어 반도체 칩들은 AlnIn1-nGamN 또는 AlnIn1 - nGamP와 같은 질화물-화합물 반도체 재료를 기본으로 하며, 이때 각각 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 그리고 n+m ≤ 1이다. 이 경우, 상기 재료는 하나 또는 다수의 도펀트 및 추가의 구성 성분들을 포함할 수 있다. 그러나 편의상, 결정 격자의 주요 구성 성분들, 즉, Al, Ga, In, N 또는 P만 제공되는데, 이는 비록 상기 구성 성분들이 부분적으로 소량의 추가 물질들에 의해 대체되고/대체되거나 보충될 수 있다하더라도 그러하다. 바람직하게 광전자 반도체 칩들은 반도체 소자들의 작동 중에, 예컨대 청색, 녹색, 황색 및/또는 적색 스펙트럼 영역에서 가시광선을 발생하도록 설계되었다. 상기 방사선의 발생은 바람직하게 적어도 하나의 활성 구역 내에서 이루어지고, 상기 활성 구역은 적어도 하나의 양자 웰 구조물 및/또는 적어도 하나의 pn-천이부를 포함한다.
반도체 소자의 모든 반도체 칩들은 구조적으로 동일할 수 있다. 대안적으로는반도체 소자가 상이한 형태의, 특히 상이한 반도체 재료들을 기본으로 하는 반도체 칩들을 포함할 수 있는데, 상기 반도체 칩들은 바람직하게 상이한 스펙트럼 영역들에서 방출하도록 설계되었다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 광전자 반도체 소자는 발광 다이오드(축약어로 LED)이다. 다른 말로 하면, 이러한 경우에 반도체 소자는 인코히어런트 방사선을 방출한다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 상기 광전자 반도체 소자는 적어도 하나의 산란체를 포함한다. 상기 산란체는 그 내부에 산란 입자가 매립되는 방사선 투과성 매트릭스 재료, 바람직하게는 투명하고 안이 비치는 매트릭스 재료를 포함한다. 산란 입자는 입자 재료로 이루어져 있다. 상기 입자 재료는 매트릭스 재료와는 상이하다.
산란체의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 상기 산란체는 반도체 칩으로부터 방출된 방사선의 스펙트럼을 변경하지 않도록 또는 대체로 변경하지 않도록 설계되었다. 특히 산란체는 필터 수단 및/또는 변환 수단을 갖지 않는데, 상기 필터 수단 및/또는 변환 수단은 반도체 칩으로부터 방출되는 방사선을 부분적으로 또는 완전히 파장 변환하도록 설계된다. 따라서, 이러한 경우에 산란체는 반도체 칩으로부터 방출되는 방사선의 흡수 또는 스펙트럼 변환을 위해서 설계되지 않고, 오로지 또는 대체로 상기와 같은 방사선의 산란 및/또는 반사를 위해서 설계되었다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 반도체 칩들 중 적어도 하나의 반도체 칩 다음에 배치되었다. 반도체 소자가 동일 구조의 다수의 반도체 칩을 포함하면, 하나의 공동 산란체가 상기 반도체 칩들 다음에 배치되거나 또는 특히 각각의 반도체 칩 다음에 하나의 고유한 산란체가 배치된다. 반도체 소자가 서로 상이한, 구조적으로 다른 반도체 칩들을 포함하면, 단지 일부 반도체 칩들 다음에만 산란체가 배치될 수 있다. "다음에 배치된다"라는 표현은 특히, 주 방사 방향을 따라 산란체가 반도체 칩들을 뒤따른다는 것을 의미한다. 산란체는 반도체 칩에 또는 반도체 칩 상에 직접 설치될 수 있다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 온도 변화시에는 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이가 변한다. 다른 말로 하면, 매트릭스 재료 굴절률의 온도 의존적인 프로파일은 입자 재료 굴절률의 온도 의존적인 프로파일과 상이하다.
예를 들어 온도에 대한 굴절률은 관련 온도 범위 내에서 매트릭스 재료뿐만 아니라 입자 재료에 있어서도 직선에 가깝게 그려질 수 있다. 이러한 경우에, 매트릭스 재료 및 입자 재료의 온도 의존적인 굴절률을 나타내는 직선들은 서로 상이한 기울기들을 가질 수 있다. 상기 기울기들은 동일한 연산 부호를 가질 수 있거나 또는 상이한 연산 부호도 가질 수 있다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 온도가 300K일 때 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 최대 0.15, 바람직하게는 최대 0.10, 특히 최대 0.07 또는 최대 0.05이다. 즉, 실온에서는 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이가 비교적 작다. 그러나 굴절률들이 바람직하게는 서로 구별되기 때문에, 결과적으로 굴절률 차이는 '0'이 아니다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 상기 광전자 반도체 소자는 특히 가시광선을 방출하기 위하여 제공되는 하나 또는 다수의 광전자 반도체 칩을 포함한다. 또한, 상기 반도체 소자는 적어도 하나의 산란체를 포함하는데, 상기 산란체는 방사선 투과성 매트릭스 재료, 바람직하게는 투명한 매트릭스 재료와 이러한 매트릭스 재료 내부에 매립되는, 입자 재료로 이루어진 산란 입자를 포함한다. 산란체는 반도체 칩들 중 적어도 하나의 반도체 칩 다음에 배치되어 있는데, 특히 반도체 칩의 주 방사 방향을 따라 상기 적어도 하나의 반도체 칩 다음에 배치되었다. 온도 변화시에는 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이가 변한다. 온도가 300K일 때 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 최대 0.15이다.
발광 다이오드와 같은 광전자 반도체 소자들은 상이한 온도에서 작동된다. 스위치-온의 경우, 예를 들어 반도체 칩의 활성 구역은 대략 주변 온도, 예컨대 실온을 갖는다. 그 지속 시간이 특히 반도체 칩 그리고 반도체 소자의 열적 저항에 좌우되고 그리고 히트 싱크(heat-sink)와의 결합에 좌우되는 웜-업 단계(warm-up phase) 중에는 활성 구역의 온도가 전형적으로 정적 작동 포인트(stationary working point)에서 안정적인 온도에 도달할 때까지 상승한다. 이러한 과정은 통상적으로 스위치-온 뒤 첫 10분 내지 30분 안에 일어난다. 웜-업 단계 이후에 온도는 예를 들어 약 75℃ 내지 125℃이고, 이때 정적 작동 포인트에서 온도는 또한 150℃보다 높을 수 있다.
광전자 반도체 칩들에 사용되는 재료 계(system)의 경우, 광선속 또는 방사속은 전형적으로 온도와 관련하여, 특히 온도와는 무관하게 전류가 일정할 때 변한다. 통상적으로 더 높은 동작 온도는 광선속을 감소시킨다. 예를 들어 InGaN을 기본으로 하는 반도체 칩들에 있어서 온도가 100℃일 때의 광선속은 온도가 25℃일 때의 광선속의 약 85%에 달한다. InGaAlP를 기본으로 하는 반도체 칩들의 경우에 이러한 효과는 더 강하게 나타나는데, 특히 그 이유는 방출 파장이 눈의 감도가 더 높은 영역에서 밀려나오기 때문이기도 하다. 따라서, InGaAlP를 기본으로 하고 황색 스펙트럼 영역에서 방출하는 반도체 칩의 경우, 사람의 눈에 의해 감지되는 휘도를 기준으로 온도가 100℃일 때의 휘도는 온도가 25℃일 때의 값의 약 40%로 강하할 수 있고, 적색 파장 영역에서의 방출시 이러한 강하가 약 50%에 달할 수 있다.
광선속의 이러한 온도 의존성은 적용시에 문제들을 야기할 수 있다. 예를 들어 자동차 분야의 점멸등이나 백 라이트의 경우, 미리 정해진 특정한 광선속에 도달해야한다. 사용되는 발광 다이오드들이 실온에 가깝게 차가우면, 이러한 발광 다이오드들은 너무 밝게 조명된다. 작업 공간이나 거실의 전반 조명(general lighting)의 경우, 특히 녹색을 띤 백색을 방출하는 반도체 칩들이 적색 반도체 칩들 또는 적색, 녹색, 청색 및/또는 황색 반도체 칩들과 서로 조합된다. 상이한 형태로 방출하는 반도체 칩들의 이와 같은 조합의 경우 그리고 온도가 상승함에 따라 그와 결부되어 나타나는, 적색 그리고 경우에 따라서는 황색 LED들의 비교적 강한 광선속 강하의 경우에는 강한 색상 변화가 일어날 수 있다. 예를 들어 대비되는 색온도는 실온에서의 약 2400K로부터 약 100℃인 반도체 칩의 정적 작동 포인트에서의 3000K로, 600K만큼 변한다. 따라서, 스위치-온 뒤에는 약 10분 내지 30분 이후에 비로소 의도한 광 색상에 도달하기 전에, 적색 광이 방출된다. 또한, 후방 조명들에서는 이러한 형태의 온도 의존적이고 비교적 긴 시간에 걸쳐 일어나는 색상 변화가 예를 들어 액정 디스플레이에 있어서 문제를 야기할 수 있다.
이와 같은 휘도 변화 또는 방출되는 방사선의 스펙트럼 조성물의 변화는 소위 완전 변환 발광 다이오드를 이용함으로써, 줄어들거나 방지될 수 있다. 특히 InGaN-재료 계를 기본으로 하는 상기 발광 다이오드의 경우, 반도체 칩 내에서 방출되는 방사선은 변환 재료에 의해서 완전히 다른 파장의 방사선으로 변환된다. 그러나 이러한 발광 다이오드는 비교적 비싸다. 또한, 휘도 및/또는 스펙트럼 조성물을 전자식으로 재조정할 수 있는데, 예를 들어 온도 센서 및/또는 광학 센서 그리고 후속하는 전자식 제어 장치와 함께 예컨대 펄스 폭 변조에 의해 전자식으로 재조정할 수 있다. 그러나 재조정을 위한 이러한 방법들은 비교적 시간이 많이 들고 복잡하며 그리고 상대적으로 비용도 많이 든다.
대안적으로 또는 추가적으로, 제시된 광전자 반도체 소자의 경우 광선속의 온도 특성은 산란체에 의해 영향을 받는다. 매트릭스 재료 및 입자 재료의 굴절률의 상이한 온도 특성에 의해 실온에서 굴절률 차이는, 예컨대 약 100℃인 정적 작동 포인트에서의 굴절률 차이에 비해 변한다. 굴절률 차이의 변화에 의해서는 산란체의 광을 산란하는 특성들이 변한다. 그럼으로써, 산란체가 실온에서는 더 강하게 산란하고 더 높은 온도에서는 산란 특성이 감소할 수 있다. 다른 말로 하면, 온도 의존적인 반도체 칩의 효율로 인한 광선속의 감소는 산란체에 의해 상쇄될 수 있다. 그럼으로써, 산란체 및 반도체 칩으로 이루어진 시스템은 온도 변화시에 비교적 일정한 광 방출을 달성할 수 있다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 온도가 300K일 때 입자 재료의 굴절률은 매트릭스 재료의 굴절률보다 작다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 온도가 상승함에 따라 매트릭스 재료의 굴절률이 감소한다. 이와 같은 상황은 특히 300K(300K 포함) 내지 450K의 온도 범위에 있어서 유효하다. 대안적으로 또는 추가적으로, 입자 재료의 굴절률은 상기 온도 범위에서 온도가 상승함에 따라 증가한다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 온도가 상승함에 따라 감소한다. 특히 이와 같은 상황은 300K(300K 포함) 내지 375K의 온도 범위 및/또는 375K(375K 포함) 내지 450K의 온도 범위에 있어서 유효하다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 적어도 300K(300K 포함) 내지 375K의 온도 범위 및/또는 적어도 375K(375K 포함) 내지 450K의 온도 범위에서 증가한다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 매트릭스 재료 및 입자 재료의 굴절률은 온도가 상승함에 따라 300K(300K 포함) 내지 450K의 온도 범위에서 처음 상호 적응되고, 그리고 후속해서 상기 언급된 온도 범위 내 또는 상기 언급된 온도 범위 밖의 훨씬 더 높은 온도에서 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 다시 증가한다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 375K(375K 포함) 내지 450K의 온도 범위에서 산란 입자의 평균 산란 단면적(scattering cross-section)은 온도가 300K일 때 산란 입자의 평균 산란 단면적의 최대 50% 또는 최대 25% 또는 최대 10%이다. 무엇보다도 평균 산란 단면적은 입자 재료와 매트릭스 재료 사이의 굴절률 차이에 달려있다. 또한, 산란 단면적에는 산란 입자의 기하학적 특성들, 특히 산란 입자의 형태 및 산란 입자의 크기가 관계된다.
다른 말로 하면, 본 실시예에 따르면, 매트릭스 재료 및 입자 재료의 굴절률은, 반도체 칩의 정적 작동 온도 범위, 즉 예컨대 375K(375K 포함) 내지 450K의 온도에서의 산란 단면적이 실온에서의 산란 입자의 산란 단면적에 비해 작거나 또는 무시될 수 있을 정도인데 한하여 서로 근접한다. 따라서, 실온에서 산란 입자는 산란 작용하는 반면에, 반도체 칩의 더 높은 정적 작동 온도에서 산란 입자는 매트릭스 재료 및 경우에 따라서는 입자 재료의 굴절률 변화로 인해 산란 작용하지 않거나 또는 두드러지게 산란 작용하지 않는다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 온도가 300K일 때 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 적어도 0.02 또는 적어도 0.025 또는 적어도 0.03이다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 정적 작동 온도에서 매트릭스 재료와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 최대 0.015, 바람직하게는 최대 0.010 또는 최대 0.005이다. 특히, 약 400K의 온도, 또는 이 온도와 다른 반도체 칩의 정적 작동 온도에서 굴절률 차이는 무시할 수 있을 정도이거나 또는 '0'과 같다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 매트릭스 재료는 다음의 재료들 중 적어도 하나의 재료를 포함하거나 또는 다음의 재료들 혹은 다음의 재료들 중 적어도 두 가지 재료의 혼합물로 이루어진다: 실리콘, 에폭시드, 폴리우레탄, 아크릴산염, 폴리카보네이트.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 300K(300K 포함) 내지 450K의 온도 범위에서 입자 재료는 투명하거나 안이 비친다. 예를 들어 입자 재료는 다음의 재료들 중 하나의 재료를 함유하거나 다음의 재료들 중 하나이다: 유리와 같은 산화규소, 플루오르화 칼슘, 플루오르화 바륨, 플루오르화 리튬 또는 플루오르화 마그네슘과 같은 플루오르화 금속.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란 입자의 평균 직경은 적어도 0.15㎛ 또는 적어도 0.2㎛ 또는 적어도 1.5㎛ 또는 적어도 2㎛ 또는 적어도 5㎛이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 평균 직경은 최대 20㎛, 특히 최대 15㎛ 또는 최대 10㎛ 또는 최대 5㎛이다. 본 실시예의 경우, 특히 평균 직경(d50)은 Q0를 초과한다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 전체 산란체에서 산란 입자의 중량 비율은 10%(10% 포함) 내지 50%, 특히 20%(20% 포함) 내지 40% 또는 25%(25% 포함) 내지 35% 또는 15%(15% 포함) 내지 30%이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산란 입자의 부피 비율은 30% 미만, 또는 25% 미만, 또는 20% 미만이다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 소형 플레이트 형태로 또는 디스크 형태로 형성되었다. 예를 들어 이러한 경우에, 산란체는 반도체 칩의 방사 주 표면에 걸쳐서 일정하거나 또는 대체로 일정한 두께로 연장되며, 이때 반도체 칩의 측면들은 마찬가지로 상기 산란체에 의해 덮일 수 있다. 층 또는 소형 플레이트의 두께는 바람직하게 최대 500㎛ 또는 최대 100㎛이다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 산란체는 렌즈의 형태로 형성되었다. 예를 들어 산란체는 볼록 렌즈의 형태를 갖는다. 따라서 산란체는 구형(球形)으로 또는 타원형으로 형성될 수 있다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 300K의 온도로부터 출발하여 적어도 375K의 온도까지 매트릭스 재료의 굴절률은 입자 재료의 굴절률에 맞추어진다. 다른 말로 하면, 매트릭스 재료의 굴절률은 입자 재료의 굴절률보다 더 많이 변화한다. 예를 들어 입자 재료의 굴절률은 거의 일정하게 유지되고, 대체로 매트릭스 재료의 굴절률만 변한다. 예를 들어 동일한 온도 범위를 기준으로 입자 재료의 온도 의존적인 굴절률 변화는 매트릭스 재료의 굴절률 변화보다 적어도 10배 또는 적어도 50배만큼 작다. 본 실시예의 경우에 관련 온도 범위는 특히 300K(300K 포함) 내지 375K 및/또는 375K(375K 포함) 내지 450K이다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 특히 300K(300K 포함) 내지 375K 및/또는 375K(375K 포함) 내지 450K에서 광전자 반도체 소자의 광선속은 일정하거나 거의 일정하다. 예를 들어 상기 제시된 온도 범위들에서 광선속은 온도가 300K일 때 반도체 소자의 광선속을 기준으로 최대 25%만큼 또는 최대 15%만큼 또는 최대 5%만큼 변한다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 스위치-온 직후에, 예를 들어 스위치-온 뒤 적어도 1분까지 또는 적어도 5분까지, 산란체는 실온에서 산란 작용한다. 다른 말로 하면, 이러한 경우에 산란체는 관찰자에게 불투명하게 보임으로써, 결과적으로 특히 산란체 아래에 있는 구조물들, 예컨대 반도체 칩의 전류 확산 구조의 구조물들은 흐리게 보일 수 있다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 특히 반도체 소자의 용도에 따른 산란체는 안이 비치고/비치거나 투명하다. 이러한 경우에 산란체는 관찰자에게 불투명하게 보이지 않는다.
광전자 반도체 소자의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 스위치-온 뒤 상대적으로 더 긴 시간, 예를 들어 10분 이후 또는 30분 이후에 또는 정적 작동 온도의 설정 이후에 산란체는 더 이상 산란 작용하지 않는다. 다른 말로 하면, 이러한 경우에 산란체는 관찰자에게 안이 비쳐 보인다.
또한, 본 출원서는 광전자 반도체 소자를 위한 산란체에 관한 것이다. 예를 들어 앞선 실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 기재된 것 같이, 반도체 소자는 상기와 같은 산란체를 포함한다. 따라서, 산란체의 특징들은 광전자 반도체 소자를 위해서도 공지되었고, 그 역도 마찬가지이다.
산란체의 적어도 하나의 실시예에서, 상기 산란체는 방사선 투과성 매트릭스 재료를 포함한다. 상기 매트릭스 재료 내에는 입자 재료로 이루어진 산란 입자가 매립되었다. 온도 변화시에는 매트릭스 재료의 굴절률과 입자 재료의 굴절률이 서로 다르다. 온도가 300K일 때 매트릭스 재료와 입자 재료의 굴절률 차이는 최대 0.15이다.
또한, 특히 전술한 하나 또는 다수의 실시예와 관련하여서와 같이 특히, 반도체 소자를 위한 광전자 반도체 소자를 작동하기 위한 방법이 제시된다. 따라서, 산란체의 및 광전자 반도체 소자의 특징들은 광전자 반도체 소자를 작동하기 위한 방법을 위해서도 공지되었고, 그 역도 마찬가지이다.
광전자 반도체 소자를 작동하기 위한 방법의 적어도 하나의 실시예에서, 반도체 소자의 작동 방식에 따르면, 산란체의 온도 의존적인 산란 특성은 온도가 상승함에 따라 산란 단면적이 줄어들도록 설정되고, 이때 온도 의존적인 반도체 칩의 효율 감소가 상쇄되며, 결과적으로 반도체 소자의 방사선 세기는 최대 5%의 오차 허용 범위에서 온도와는 무관하다.
아래에서는 본 출원서에 기재된 광전자 반도체 소자 그리고 본 출원서에 기재된 산란체가 실시예들과 관련한 도면을 참조하여 상세하게 설명된다. 그 외에도 개별 도면들에서 동일한 도면 부호들은 동일한 소자들을 나타낸다. 그러나 이러한 경우, 척도와 관련된 기준들은 도시되어 있지 않으며, 오히려 개별 소자들은 이해를 도울 목적으로 과도하게 크게 도시될 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 출원서에 기재된 산란체들을 갖는 본 출원서에 기재된 광전자 반도체 소자들의 실시예들의 개략적인 횡단면이다.
도 1에는 광전자 반도체 소자(1)의 하나의 실시예가 도시되었다. 캐리어(5) 상에는 광전자 반도체 칩(2)이 설치되었다. 캐리어(5)로부터 떨어져 마주한 반도체 칩(2)의 방사 주 표면(20)에는 산란체(34)가 위치한다. 상기 산란체(34)는 매트릭스 재료(3)를 포함하는데, 상기 매트릭스 재료는 반도체 칩(2)으로부터 방출되는 방사선에 대해 투과성을 갖고 투명하며, 그리고 상기 매트릭스 재료 내부에는 산란 입자(4)가 매립되었다. 산란체(34)는 소형 플레이트 형태로 형성되었고 예를 들어 방사선 주 표면(20) 상에 접착되었거나 또는 직접 가압되었다.
매트릭스 재료(3)는 예를 들어 실리콘 또는 특히 페닐화된 실리콘을 함유하는 실리콘-에폭시드-하이브리드 재료이다. 실온에서 매트릭스 재료(3)의 굴절률은 예를 들어 약 1.49이다. 산란 입자(4)는 예를 들어 약 0.5㎛의 평균 직경과 실온에서 1.46의 굴절률을 갖는 유리 볼(glass ball)이다. 산란체(34)에서 산란 입자(4)의 중량 비율은 약 30%이다.
특히 InGaAlP를 기본으로 하는 반도체 칩(2)은 연속 작동(continuous operation)시 예컨대 100℃에서 정적 작동 온도를 갖는다. 상기 작동 온도는 약 25℃인 실온에 비해서, 75℃의 온도 차이를 나타낸다. 관련 온도 범위에서 실리콘의 굴절률 변화는 약 -4 x 10-4K-1이다. 따라서, 실리콘의 굴절률은 온도가 상승함에 따라 감소한다. 산란 입자(3)의 굴절률 변화는 약 0.1 x 10-5K-1 내지 1 x 10-5K-1이고, 매트릭스 재료의 굴절률 변화에 비해 작으며, 그리고 거의 일정한 것으로 간주될 수 있다.
실온에서 약 0.03인 매트릭스 재료(3)와 산란 입자(4) 사이의 굴절률 차이로 인해, 산란체(34)는 실온에서 산란 작용한다. 이와 같은 상황은 반도체 칩(2)으로부터 광의 역산란을 야기한다. 역산란된 광은 예를 들어 캐리어(5)에서 또는 반도체 칩(2) 내에서 흡수된다. 따라서, 실온에서는 반도체 칩(2) 내에서 발생되는 방사선의 전체 반도체 소자(1)로부터 외부로의 디커플링 효율이 의도한 바대로 감소한다.
정적 작동 온도까지는 매트릭스 재료(3)의 굴절률이 산란 입자(4)의 굴절률에 근접하고, 그리고 이러한 경우에 두 개의 굴절률은 약 1.46에 달한다. 그럼으로써, 약 100℃의 정적 작동 온도에서 산란체(34)는 더 이상 산란 작용하지 않거나 거의 산란 작용하지 않고, 그리고 이러한 온도에서 디커플링 효율은 상승한다. 산란 입자(4)에 대해 상대적인 매트릭스 재료(3)의 굴절률 변화로 인한 디커플링 효율의 온도 의존적인 프로파일에 의해서는 온도 변화에 비해 비교적 민감하지 않고 안정적인 광선속이 달성될 수 있다.
도 1에 따르면, 산란 입자(4)는 거의 구형이다. 이에 대해, 대안적으로 또는 추가적으로 산란 입자(4)는 다른 모든 실시예들과 같이 모서리가 있는 형태들, 예를 들어 직육면체 형태 또는 정육면체 형태 또는 피라미드 형태를 가질 수 있다. 비-구형의 산란 입자(4)는 동일한 평균 직경을 갖는 볼 형태의 산란 입자(4)보다 더 큰 산란 단면적을 갖는다. 또한, 산란 단면적은 산란 입자(4)의 직경을 초과하는 경우에도 적합하게 적응될 수 있다. 이처럼 산란 입자(4)의 평균 직경은 반도체 칩(2)으로부터 방출된 방사선의 파장 범위에 놓일 수 있는데, 즉 예를 들어 400㎚(400㎚ 포함) 내지 700㎚일 수 있다.
종래의 산란체들과 비교했을 때, 산란 입자(4)는 실온에서 매트릭스 재료(3)에 비해 작은 굴절률 차이를 갖는다. 종래의 산란체의 경우, 산란 입자는 특히 산화알루미늄, 산화지르코늄 또는 산화티타늄으로 형성되었고, 매트릭스 재료와 상기와 같은 유형의 입자 사이의 굴절률 차이는 통상적으로 0.3보다 크다.
선택적으로 소형 플레이트 형태의 산란체(34)는 추가의 밀봉체(sealing body)(6)에 의해 둘러싸였다. 상기 밀봉체(6)는 바람직하게 렌즈 형태, 예컨대 볼록 렌즈의 형태로 형성되었다. 또한, 선택적으로 반도체 칩(2) 내에서 발생된 방사선의 부분적인 파장 변경을 위한 변환 수단(7)이 밀봉체(6)에 첨가될 수 있다.
후속되는 도면들에는 산란 입자(4) 그리고 매트릭스 재료(3)가 도시되지 않았고, 오히려 전체로서 산란체(34)가 단순화된 방식으로만 도시되었다.
도 2a 및 도 2b에는 반도체 소자(1)의 추가 실시예들이 도시되었다. 도 2a에 따르면, 산란체(34)는 오로지 반도체 칩(2)의 방사 주 표면(20)만을 덮는다. 따라서, 산란체(34)는 캐리어(5)의 상부면(50)에 콘택하지 않으며, 이때 반도체 칩(2)은 상기 캐리어 상부면(50)에 설치되었다.
도 2b에 따르면, 산란체(34)는 가로 방향으로 반도체 칩(2)과 대체로 동일한 치수를 갖는다. 본 경우에서 "대체로"라는 표현은, 가로 방향으로 산란체(34)의 치수가 동일한 방향을 따라 반도체 칩(2)의 치수를 최대 30%만큼, 특히 최대 20%만큼 또는 최대 15%만큼 초과하는 것을 의미한다. 도 2b에 따르면, 반도체 칩(2)보다 가로 방향으로 더 큰 연장부를 지닌 산란체(34)는 반도체 칩(2)의 측면들(25)을 덮고, 이때 상기 측면들(25)은 상기 반도체 칩(2)의 가로 방향 경계면들을 형성한다.
도 3a 및 도 3b에 따른 실시예들의 경우, 산란체(34)는 부피 밀봉제로서 형성되었다. 도 3a에는 산란체(34)가 구 형태 또는 렌즈 형태로 형성되었고, 이때 상기 산란체(34)의 가로 방향 연장부는 반도체 칩(2)의 가로 방향 연장부를 예컨대 1.5배보다 많이 또는 2배보다 많이 초과한다. 캐리어 상부면(50)에 대해 수직 방향으로 산란체(34)의 높이는 예를 들어 반도체 칩(2)의 평균 에지 길이를 초과한다.
도 3b에 따른 실시예의 경우, 캐리어(5)는 그 내부에 반도체 칩(2)이 설치되는 리세스(55)를 구비한다. 상기 리세스(55)는 산란체(34)에 의해 채워진다.
도 4에는 하나의 추가의 실시예가 도시되었다. 도 4에 따르면, 광전자 반도체 소자(1)는 다수의 반도체 칩(2a, 2b)을 갖는다. 예를 들어 반도체 칩(2a)은 InAlGaP를 기본으로 하고, 그리고 황색 또는 적색 스펙트럼 영역의 방사선을 방출한다. 반도체 칩(2b)은 특히 AlInGaN을 기본으로 하고 그리고 청색 스펙트럼 영역에서 방사선을 방출한다. 두 개의 반도체 칩(2a, 2b)은 캐리어 상부면(50) 상에서 캐리어(5)의 임의적 리세스(55) 내부에 설치되었다.
반도체 칩(2a) 다음에는 소형 플레이트 형태의 산란체(34)가 방사 주 표면(20a)에 배치되었다. 반도체 칩(2b)은 산란체를 갖지 않는다. 선택적으로, 반도체 칩(2b)의 방사 주 표면(20b)에서 변환 수단(7)은 예컨대 산란체(34)와 같이 마찬가지로 층 형태로 형성되는 방식으로 설치되었다.
도 4에 따른 반도체 소자(1)는 작동 중에 백색 광을 방출할 수 있고, 이때 예를 들어 반도체 칩(2b)의 녹색을 띤 백색 광은 반도체 칩(2a)의 적색 광과 혼합된다. 반도체 칩(2a)의 광선속의 온도 의존성은 산란체(34)에 의해 상쇄될 수 있음으로써, 결과적으로 스위치-온 직후에도 그리고 정적 작동 온도에 도달하기 이전에도 반도체 소자(1)는 이미 의도한 색온도의 방사선을 방출한다.
선택적으로, 반도체 칩(2a, 2b) 다음에는 커버 플레이트(8)가 배치되었다. 상기 커버 플레이트(8)는 예를 들어 추가의 산란제를 함유하는데, 상기 산란제에 의해서 반도체 칩(2a, 2b)으로부터 방출된 방사선의 혼합은 개선된다.
본 출원서에 기재된 발명은 실시예들을 참조한 설명 내용에 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 새로운 특징 그리고 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 이런 점은, 비록 상기 특징 또는 상기 조합 자체가 특허청구범위 또는 실시예들에 명시적으로 기재되어 있지 않더라도, 특히 특허청구범위 내 특징들의 각각의 조합을 포함한다.
본 특허 출원서는 독일 특허 출원서 제 10 2010 034 915.1호의 우선권을 주장하며, 상기 우선권 문서의 공개 내용은 인용의 방식으로 본 출원서에 수용된다.

Claims (15)

  1. 광전자 반도체 소자(1)로서,
    - 하나 또는 다수의 광전자 반도체 칩(2) 및
    - 적어도 하나의 산란체(34)를 구비하고, 상기 산란체는 방사선 투과성 매트릭스 재료(3)와 상기 매트릭스 재료 내부에 매립되는, 입자 재료로 이루어진 산란 입자(4)를 포함하며 그리고 상기 산란체는 상기 반도체 칩들 중 적어도 하나의 반도체 칩(2) 다음에 배치되어 있으며, 온도 변화시에는 상기 매트릭스 재료(3)와 상기 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 변하며, 그리고 온도가 300K일 때 상기 매트릭스 재료(3)와 상기 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 최대 0.15인,
    광전자 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    온도가 300K일 때 상기 입자 재료는 상기 매트릭스 재료보다 더 작은 굴절률을 갖는,
    광전자 반도체 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    300K(300K 포함) 내지 450K의 온도 범위에서 상기 매트릭스 재료(3)의 굴절률은 온도가 상승함에 따라 감소하는,
    광전자 반도체 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    300K(300K 포함) 내지 450K의 온도 범위에서 상기 입자 재료의 굴절률은 온도가 상승함에 따라 증가하는,
    광전자 반도체 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    300K(300K 포함) 내지 375K의 온도 범위에서 상기 매트릭스 재료(3)와 상기 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 온도가 상승함에 따라 감소하는,
    광전자 반도체 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 범위가 375K(375K 포함) 내지 450K인 적어도 하나의 온도에서, 작동 중에 반도체 칩(2) 내에서 발생되는 방사선에 대한 상기 산란 입자(4)의 평균 산란 단면적은 온도가 300K일 때의 상기 산란 입자(4)의 평균 산란 단면적의 최대 25%인,
    광전자 반도체 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 재료(3)와 상기 입자 재료 사이의 굴절률 차이가 온도가 300K일 때 적어도 0.02이고/이거나 온도가 400K일 때 최대 0.01인,
    광전자 반도체 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 재료(3)는 실리콘, 에폭시드, 폴리우레탄, 아크릴산염, 폴리카보네이트 중 하나의 재료 또는 실리콘, 에폭시드, 폴리우레탄, 아크릴산염, 폴리카보네이트 중 적어도 두 가지 재료로 이루어진 혼합물을 함유하거나, 또는 실리콘, 에폭시드, 폴리우레탄, 아크릴산염, 폴리카보네이트 중 하나의 재료이거나 또는 실리콘, 에폭시드, 폴리우레탄, 아크릴산염, 폴리카보네이트 중 적어도 두 가지 재료로 이루어진 혼합물인,
    광전자 반도체 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    300K(300K 포함) 내지 450K의 온도 범위에서 상기 입자 재료는 투명하고 안이 비치는 재료인,
    광전자 반도체 소자.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자 재료는 산화규소, 플루오르화 금속 중 하나의 재료 또는 산화규소, 플루오르화 금속 중 적어도 두 가지 재료로 이루어진 혼합물을 함유하거나, 산화규소, 플루오르화 금속 중 하나의 재료이거나 또는 산화규소, 플루오르화 금속 중 적어도 두 가지 재료로 이루어진 혼합물인,
    광전자 반도체 소자.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산란 입자(4)의 평균 직경은 0.15㎛(0.15㎛ 포함) 내지 20㎛인,
    광전자 반도체 소자.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산란체(34)에서 상기 산란 입자(4)의 중량 비율은 10%(10% 포함) 내지 50%인,
    광전자 반도체 소자.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 매트릭스 재료(3)는 실리콘 또는 실리콘-에폭시드-하이브리드 재료이고,
    - 상기 입자 재료는 유리, BaF2, LiF 또는 MgF2이며,
    - 상기 산란체(34)에서 상기 산란 입자(4)의 중량 비율은 20%(20% 포함) 내지 40%이고,
    - 상기 산란 입자(4)의 평균 직경은 0.2㎛(0.2㎛ 포함) 내지 5㎛이며,
    - 상기 산란체(34)는 최대 500㎛의 두께를 갖는 소형 플레이트이거나 또는 볼록 렌즈이고,
    - 상기 반도체 소자(1)는 서로 상이한 스펙트럼 영역들에서 방출하는 적어도 두 개의 반도체 칩(2)을 포함하며,
    - 상기 반도체 칩들 중 적어도 하나의 반도체 칩(2) 다음에는 산란체(34)가 배치되지 않았거나 또는 상기 반도체 칩들 중 적어도 두 개의 반도체 칩(2) 다음에는 온도 의존적인 다양한 산란 특성을 지닌 산란체(34)가 배치되었고,
    - 300K의 온도로부터 출발하여 적어도 375K의 온도까지 상기 매트릭스 재료(3)의 굴절률은 상기 입자 재료의 굴절률에 균등하게 맞추어지고, 그리고
    - 상기 반도체 칩들(2) 중 적어도 하나의 반도체 칩은 AlInGaN 또는 AlInGaP를 기본으로 하는,
    광전자 반도체 소자.
  14. 광전자 반도체 소자(1)를 위한 산란체(34)로서,
    - 방사선 투과성 매트릭스 재료(3) 및
    - 입자 재료로 이루어진 산란 입자(4)를 포함하고,
    이때
    - 상기 산란 입자(4)는 상기 매트릭스 재료(3) 내부에 매립되었고,
    - 온도 변화시 상기 매트릭스 재료(3)의 굴절률은 상기 입자 재료의 굴절률과는 상이하며 그리고
    - 온도가 300K일 때 상기 매트릭스 재료(3)와 입자 재료 사이의 굴절률 차이는 최대 0.15인,
    산란체.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 반도체 소자(1)를 작동하기 위한 방법으로서,
    온도가 상승함에 따라 산란 단면적이 감소하도록 상기 산란체(34)의 온도 의존적인 산란 특성이 설정되며, 이때 온도 의존적인 상기 반도체 칩(2)의 효율 감소가 상쇄됨으로써, 결과적으로 상기 반도체 소자(1)의 방사선 세기가 최대 5%의 오차 허용 범위에서 온도와는 무관한,
    반도체 소자를 작동하기 위한 방법.
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