TW201320411A - 光電半導體組件及具有複數此種組件的模組 - Google Patents

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Abstract

提供一種光電半導體組件，包括半導體晶片(1)，此半導體晶片(1)具有一適合用來產生輻射之活性層(1a)，此活性層(1a)適合用來發出藍色波長範圍中的輻射。第一轉換器(3a)在發射方向中係配置在該半導體晶片(1)之後，該第一轉換器(3a)包含一種鈰-摻雜度。此外，第二轉換器(3b)在發射方向中係配置在該半導體晶片(1)之後，該第二轉換器(3b)包含最多1.5%之鈰-摻雜度。又，本發明提供一種具有複數個上述組件之模組。

Description

光電半導體組件及具有複數此種組件的模組
本發明涉及一種光電組件，其包括半導體晶片、第一和第二轉換器。此外，本發明涉及一種具有複數個此種半導體組件的模組。
文件US 2008/0187746描述一種光電組件。
本發明的目的是提供一種光電半導體組件，其適合用來進行背景照明且具有最大的亮度同時具有最大的彩色範圍，其中只需較少的生產費用。
依據光電半導體組件之至少一實施形式，此光電半導體組件包括半導體晶片，此半導體晶片具有一適合用來產生輻射之活性層，此活性層適合用來發出藍色波長範圍中的輻射。例如，此半導體晶片是雷射二極體晶片或發光二極體晶片。
第一轉換器在發射方向中係配置在半導體晶片之後，第一轉換器包含一種鈰-摻雜度，第二轉換器在發射方向中係配置在半導體晶片之後，第二轉換器包含最多1.5%之鈰-摻雜度，其中第一轉換器所具有的鈰-摻雜度大於第二轉換器者。
各轉換器例如分別具有一發光物質，其可埋置於一種母材中。然而，該發光物質亦能以整體形式存在著。於此，相對應的轉換器由該發光物質構成。此外，該發光物質亦能以粒子的形式存在著，粒子分佈在母材中。 該發光物質具有以鈰來摻雜的摻雜度。該母材例如可以是玻璃、陶瓷材料或塑料(例如，矽酮)。
藉由鈰-摻雜度較低的第二轉換器，則可有利地使半導體組件所發出的發射光譜相對於人類眼睛之眼睛敏感度成最佳化。第二轉換器之吸收光譜因此對鈰-摻雜度之降低只微不足道地發生變化。藉由鈰-摻雜度較高的第一轉換器，可使所發出的輻射之彩色範圍或彩色位置有利地最佳化。藉由第一轉換器和第二轉換器的組合，則特別是整體上可覆蓋較大的彩色空間，其中該發射光譜同時可對眼睛敏感度和適當的彩色位置成最佳化。因此，整體上可達成最大的亮度，且由於轉換器之不同的吸收特性所造成的損耗將不會發生。此外，在同時生產之不同半導體晶片之不同激發波長時不需進行再控制，這樣可有利地使生產費用下降。
所謂“彩色位置”以下特別是指“數值”，其在CIE-彩色範圍中描述半導體晶片或半導體組件所發出之光之彩色。
“CIE-彩色範圍”特別是指CIE-正規-配價-系統(亦稱為CIE 1931)。測量值係以CIE-正規-配價-系統為基礎，測量值與正常觀看者有關且可顯示在CIE-正規-彩色圖上。可能的彩色面積在CIE-正規-彩色圖中係以座標系統繪成，其上可直接看到任意彩色之x-成份和y-成份。
依據至少一實施形式，第一轉換器具有一種在565奈米(含)和575奈米(含)之間的範圍中的主波長，且第二轉換器具有一種在550奈米(含)和560奈米(含)之間的範 圍中的主波長。因此，有利地選取主波長，使第一轉換器可被選取以用來修正彩色位置，且第二轉換器用來適應於(adapted to)人類眼睛之眼睛敏感度。第二轉換器因此覆蓋大的彩色範圍且在主波長中發射光譜，其對眼睛敏感度成最佳化。反之，第一轉換器只用來修正彩色位置，使半導體組件較佳地適用於背景照明之目的。於是，半導體組件特別適合用來對LCD-面板進行背景照明。因此，整體上可達成最大的亮度，使由於不同的吸收效應所造成的損耗不會發生，且在不同的激發波長時一種再控制亦不需較高的生產費用。
依據至少一實施形式，光電半導體組件包括半導體晶片，其具有一適合用來產生輻射之活性層，此活性層適合用來發出藍色波長範圍中的輻射。第一轉換器在發射方向中配置在該半導體晶片之後，第一轉換器包括至少2.5%之鈰-摻雜度，其特別是至少3%，較佳是至少4%。此外，第二轉換器在發射方向中配置在該半導體晶片之後，第二轉換器包括最多1.5%之鈰-摻雜度，其特別是最多1%。
第一轉換器和第二轉換器較佳是具有相同或幾乎相同的吸收光譜。藉此，由第一轉換器和第二轉換器構成之現有的轉換器混合件可用於多個同時生產之不同的半導體晶片而不必調整，各個半導體晶片具有不同的發射光譜，其中該轉換器混合件因此可有利地同時對亮度、彩色空間和彩色範圍成最佳化。此外，在未改變的大的彩色空間時亦可在眼睛查覺下產生高的亮度。
較佳是使該組件實現一種發射光譜，其由半導體晶片或轉換器之各別發出或轉換之光譜的重疊所合成且可有利地依據傳統之LCD-濾波器系統來調整。於是，可達成最大的亮度和最大的彩色範圍以對例如螢幕進行背景照明。
第一和第二轉換器在發射方向中係配置在半導體晶片之後。例如，第一轉換器因此可直接施加在半導體晶片之輻射發出面上，其中第二轉換器直接施加在第一轉換器上。在此種情況下，第一轉換器因此係配置在半導體晶片和第二轉換器之間。相對應地，第二轉換器可配置在半導體晶片和第一轉換器之間。或是，第一轉換器和第二轉換器可相鄰地配置在該半導體晶片之輻射發出面上。在此種情況下，由該半導體晶片所發出之輻射經由第一轉換器或第二轉換器。又，第一轉換器和第二轉換器可互相混合且互相整合，使第一轉換器和第二轉換器未形成為各別之層。
上述半導體組件是光電組件，其可將所產生的電性資料或能量轉換成光發射量或反之亦可。該半導體組件具有至少一光電半導體晶片，其較佳是發出輻射之半導體晶片。此半導體晶片較佳是一種LED，特別佳時是一種薄膜-LED。薄膜-LED中，特別是一種生長基板部份地或完全地被剝離，該生長基板上以磊晶方式生長該半導體晶片之多個層。
該半導體晶片具有半導體層堆疊，其中包含該活性層。該活性層較佳是包含pn-接面、雙異質結構、單一量 子井結構(SQW)或雙重式量子井結構(MQW)，以用來產生輻射。此名稱量子井結構此處未指出量子化的維度。因此，量子井結構可另外包含量子槽，量子線和量子點以及這些結構的每一種組合。
半導體晶片之半導體層堆疊較佳是包含一種III/V-半導體材料。III-V-半導體材料特別適合用來在紫外線光譜區中經由可見光譜區直至紅外線光譜區中產生輻射。
依據至少一實施形式，第一轉換器將該半導體晶片所發出之輻射的至少一部份轉換成黃色及/或黃-橘色波長範圍中的輻射。第二轉換器較佳是將該半導體晶片所發出之輻射的至少一部份轉換成黃色及/或黃-綠色波長範圍中的輻射。
第一和第二轉換器此二者然後將該半導體晶片所發出之藍色輻射的一部份轉換成另一波長的輻射。特別是使用一種由低的鈰-摻雜度之轉換器(其具有綠光的彩色位置)和高的鈰-摻雜度之轉換器(其具有黃色或黃-橘光的彩色位置)所構成的轉換器混合件。因此，有利的方式是在綠色成份和黃色或黃-橘色成份(其確保一種儘可能大的彩色空間)之寬的波長分佈之間設定最佳的比例，其中該綠色成份適合用來使亮度提高。此種轉換器混合件可有利地用於半導體晶片-波長之廣的範圍中而不必重新調整。
第一和第二轉換器較佳是分別適合用來將半導體晶片所發出之輻射的一部份轉換成至少另一波長的輻射。由該半導體晶片所發出的輻射之另一部份可未轉換地傳 送出。因此，該轉換器例如包含一種母材，其可使藍色輻射透過。
“未轉換地傳送出”此處是指：由半導體晶片所發出之輻射至少依成份而保留著且不受第一或第二轉換器所影響，使輻射之該成份離開該轉換器後成為藍色輻射。各轉換器於是不適合用於完整的轉換而是只將該半導體晶片所發出的輻射之一部份進行轉換。
依據至少一實施形式，第一轉換器是YAG-或TAG-轉換器且第二轉換器是YAG-轉換器。第一轉換器較佳是具有一種在565奈米(含)和575奈米(含)之間的範圍中的主波長，其較佳是571奈米。第二轉換器特別佳時具有一種在550奈米(含)和560奈米(含)之間的範圍中的主波長，尤其是555奈米。
主波長或主要的波長亦稱為感受到的波長，其指出同色調的波長，人類眼睛在觀看時會感受到此波長。
本申請案中轉換器之給定的波長範圍是特殊的範圍，其中各別的轉換器具有其主波長。這表示：第一和第二轉換器之發射光譜同樣在給定的波長範圍之外可具有光譜隨時間變化的形狀，然而，發射之最大值落在給定的範圍中。
依據至少一實施形式，第二轉換器之主波長係依據人類眼睛之眼睛敏感性來調整。第一轉換器之主波長較佳是適合用來修正彩色位置。第二轉換器因此覆蓋大的彩色空間且在主波長中發出光譜，其對眼睛敏感性成最佳化。反之，第一轉換器只用來修正彩色位置，使半導 體組件較佳是適用於背景照明之目的。半導體組件因此特別適合用於LCD-面板之背景照明。於是，整體上可達成最大的亮度，不同的吸收效應所造成的損耗不會發生且在不同的激發波長時一種再控制亦不需較高的生產費用。
為了對例如電視機和電腦監視器之類的螢幕進行背景照明，通常使用LEDs，其在發射方向中配置在LCD-濾波器之前。於是，對LEDs會有不同的需求，其一為期望LEDs有最大的亮度，另一為期望較大的彩色範圍。藉由不同的轉換器(其在發射方向中配置在LEDs之後)，則可對LEDs之特性進行調整。然而，所期望的特性(例如，亮度和彩色範圍)大部份是互相對立的。例如，由綠色和紅色轉換器構成的混合件未具有黃色轉換器的亮度，但具有較黃色轉換器大的彩色範圍。
作為對LEDs之需求，在相對於NTSC-彩色空間具有大約72%之面積之彩色範圍的眼睛查覺範圍中大部份期望一冷-白的彩色位置及最大的亮度。因此，大部份使用狹頻帶之發出藍光之半導體晶片，其光成份藉由轉換器而轉換成黃色和紅色波長範圍中的光，以產生白光。然而，亦可藉由生產時的變動性而造成同時生產之LEDs之亮度和彩色位置之差異。由於此種生產時的變動性，則所使用的轉換器之數量在依據各別的波長和各別的半導體晶片之亮度來調整時大部份都有缺點。
通常使用以YAG-為主之轉換器以用於背景照明中，例如，使用一種以Y3Al5O12：Ce3+-為主或以 Y3(GaxAl1-x)O12：Ce3+-為主之轉換器，其具有寬的發射光譜，其中發射波長覆蓋彩色空間中足夠的面積且位於眼睛敏感區附近。相對於眼睛敏感區之亮度可另外被提高，此時第二轉換器將添加一種綠色彩色位置。於是，以Lu3Al5O12：Ce3+-為主或以Y3(GaxAl1-x)O12：Ce3+-為主之轉換器適用於此處。因此，發射量可對眼睛敏感區成最佳化。然而，以釔-為主之轉換器和以櫓(Lu)-為主之轉換器兩者的吸收最大值並不相同。這樣會不利地造成「在不同的激發波長中須調整轉換器的比例」，使生產費用提高。
依據至少一實施形式，第一及/或第二轉換器分別是以Y3Al5O12：Ce3+-為主之轉換器。
依據至少一實施形式，第一轉換器及/或第二轉換器形成為轉換器小板。轉換器小板例如具有一種母材，其具有埋置於其中的發光物質。藉由例如一種層轉移(transfer)，則各別製成的轉換器小板可施加在半導體晶片上。此種轉換器小板亦已在發光物質層的概念下為此行的專家所知悉。
依據至少一實施形式，第一轉換器和第二轉換器形成一共同的轉換器混合件。例如，第一轉換器和第二轉換器埋置於一共同的母材中。於是，第一和第二轉換器較佳是未形成各別的層而是均勻地互相混合著。因此，一種例如形成為轉換器小板的轉換器混合件(其包括第一和第二轉換器)在發射方向中配置於半導體晶片之後。
依據至少一實施形式，包括半導體晶片之多個半導 體組件之模組包含第一轉換器和第二轉換器。該些半導體組件較佳是配置在一共同的載體基板上。特別佳時，一光學元件在發射方向中配置在該些半導體組件之後。由半導體晶片發出且由轉換器轉換後的輻射較佳是耦合至該光學元件中。該光學元件中因此可使已轉換和未轉換之輻射之光譜成份相混合，以有利地產生白光。
依據至少一實施形式，該光學元件是光導。此光導較佳是用來對電視和電腦監視器或其它螢幕進行背景照明。此光導較佳是形成為可達成均勻的發射特性。於此，此光導例如包含散射中心，其較佳是用來將入射至光導中的光譜成份均勻地分散至全部的空間方向中。
該模組較佳是例如用來對一螢幕進行背景照明。
本發明之其它優點和有利的形式以下將結合圖1至圖3所示的實施例來說明。
各圖式中相同或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。各圖式中所示的各元件及其之間的大小比例未必依比例繪出。反之，為了清楚及/或易於理解，各別元件(例如，層、結構、組件和區域)已予加厚或大尺寸地顯示出。
圖1顯示半導體組件之一實施例的橫切面，此半導體組件具有半導體晶片1。半導體晶片1具有一用來產生輻射之活性層1a，其用來在藍色波長範圍中發出輻射。半導體晶片1具有半導體層序列，其以III/V-半導體材料為主。此活性層1a因此積體化於半導體層序列 中。半導體晶片1較佳是LED。
第一轉換器3a在發射方向中配置在半導體晶片1之後，第一轉換器3a用來將藍色波長範圍中的輻射轉換成黃色及/或黃-橘色波長範圍中的輻射。第一轉換器3a包含至少4%(特別是4%或更多)之鈰-摻雜度。第一轉換器較佳是YAG(釔-鋁氧化物)-或TAG-轉換器。第一轉換器3a特別是一種以Y3Al5O12：Ce3+-為主之轉換器。第一轉換器3a具有一種介於565奈米(含)和575奈米(含)之間的範圍中的主波長，其較佳是571奈米。
第一轉換器3a目前形成為轉換器小板且直接配置在半導體晶片1之輻射發出面上。於此，轉換器小板3a例如各別地製成，藉由一種層轉移而轉移至半導體晶片1上且固定在該處。第一轉換器3a較佳是將該半導體晶片1所發出之輻射的一部份轉換成黃色及/或黃-橘色波長範圍中的輻射。這表示：第一轉換器3a中只進行一部份的轉換，使經由第一轉換器3a之輻射包括藍色成份以及黃色及/或黃-橘色成份。例如，由半導體晶片1之活性層1a所發出之輻射的50%在第一轉換器3a中轉換成黃色或黃-橘色輻射，且50%未轉換地透射成藍色輻射。
第二轉換器3b配置在第一轉換器3a上且因此在發射方向中係配置在半導體晶片1之後，第二轉換器3b同樣形成為轉換器小板。第二轉換器3b將該半導體晶片1所發出的藍色輻射的一部份轉換成綠色波長範圍中的輻射。由半導體晶片1發出的輻射的一部份未轉換地經由第二轉換器3b而以藍色輻射傳送出。此外，由第一轉換 器3a所轉換的輻射較佳是未轉換地傳送至第二轉換器3b中。經由第二轉換器3b而發出的輻射因此包括第一轉換器3a中所轉換的輻射之黃色及/或黃-橘色成份、第二轉換器3b中所轉換的綠色成份以及由半導體晶片1所發出的輻射之藍色成份。例如，由半導體晶片1之活性層1a所發出之輻射的50%又在第二轉換器3b中轉換成綠色輻射。
第二轉換器3b較佳亦是以YAG-為主之轉換器，較佳是以Y3Al5O12：Ce3+-為主之發光物質製成。第二轉換器3b特別是具有一種最多1%之小的鈰-摻雜度。第二轉換器3b較佳是具有一種介於550奈米(含)和560奈米(含)之間的範圍中的主波長，其較佳是555奈米。
轉換器3a、3b較佳是分別具有一種母材，其中埋置著各自的發光物質。特別有利的是，轉換器3a、3b之各自的發光物質均勻地分佈在該母材中，以達成儘可能均勻之發射特性。
圖1之半導體組件整體上發出藍色輻射S1、黃色及/或黃-橘色輻射S2、及綠色輻射S3，其中藍色輻射由半導體晶片1發出且未轉換地傳送出，黃色及/或黃-橘色輻射由第一轉換器3a轉換而成，且綠色輻射由第二轉換器3b轉換而成。因此，可實現一種組件，其發射光譜SG在與各別的半導體晶片1比較下在最大亮度時具有較大的彩色空間。此種組件因此特別適合用來對螢幕(例如，電視和電腦)進行背景照明。
藉由使用上述之轉換器3a、3b，則可有利地在最大 亮度時達成較大的彩色範圍。第一轉換器3a和第二轉換器3b之組合有利地具有一種在綠色成份(其使亮度提高)和寬頻波長分佈之間的最佳比例，以達成儘可能大的彩色空間。第二轉換器3b之主波長特別是針對眼睛敏感度而最佳化，第一轉換器3a則用來修正彩色位置。因此，可達成最大亮度，轉換器3a、3b上不同的吸收效應所造成的損耗不會發生。第一轉換器3a和第二轉換器3b特別是可有利地具有相同或幾乎相同的吸收光譜。於是，在不同的激發波長時各轉換器3a、3b之再控制可有利地成為不需要，這樣可有利地不需使生產費用提高。特別是第一轉換器3a和第二轉換器3b之組合係針對亮度和彩色空間來最佳化而與同時生產之不同的半導體晶片-波長無關。
圖2之實施例不同於圖1之實施例之處為：第一轉換器3a和第二轉換器3b形成一共同之轉換器混合件。例如，第一轉換器3a和第二轉換器3b積體化於一共用的轉換器小板中及/或較佳是均勻地埋置在一共用的母材中。因此，在半導體晶片1之發射側上不是垂直地施加二個轉換器小板而是只有一個轉換器小板，其具有積體化的二個轉換器。
此外，圖2之實施例基本上與圖1之實施例一致。
圖3中顯示一模組之實施例，包括多個半導體組件，其例如相鄰地配置在一載體基板2上。圖3之半導體組件例如可分別對應於圖1及/或圖2之實施例之半導體組件而佈置著。各組件因此分別具有一個半導體晶片 1，第一轉換器3a和第二轉換器3b在發射方向中分別配置在該半導體晶片1之後。各組件較佳是相鄰地在一列中配置在該載體基板上。
一共用的光學元件4在發射方向中配置在半導體晶片1之後。此光學元件4例如是一種光導，其較佳是包含散射中心。各散射中心較佳是用來將各半導體組件所發出之輻射均勻地分散至全部的空間方向中。
由半導體組件之半導體晶片1所發出且已轉換的輻射共同地入射至共用之光導4中，各輻射之光譜成份在該光導4中混合。特別是由半導體晶片1所發出之藍色輻射、由第一轉換器3a所轉換的黃色及/或黃-橘色輻射以及由第二轉換器3b所轉換的綠色輻射共同地入射至光導4中且較佳是在該處均勻地混合。此種入射至光導中且在該處混合之輻射可用來對例如電視和電腦監視器進行背景照明。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2011 113 802.5之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
1‧‧‧半導體晶片
1a‧‧‧活性層
2‧‧‧載體基板
3a‧‧‧第一轉換器
3b‧‧‧第二轉換器
4‧‧‧光導
S1‧‧‧由半導體晶片發出之輻射
S2‧‧‧由第一轉換器發出之輻射
S3‧‧‧由第二轉換器發出之輻射
SG‧‧‧由組件發出之混合輻射
圖1、圖2分別是本發明之半導體組件的一實施例之橫剖面視圖。
圖3是本發明之模組的一實施例之橫剖面視圖。
1‧‧‧半導體晶片
1a‧‧‧活性層
3a‧‧‧第一轉換器
3b‧‧‧第二轉換器
S1‧‧‧由半導體晶片發出之輻射
S2‧‧‧由第一轉換器發出之輻射
S3‧‧‧由第二轉換器發出之輻射
SG‧‧‧由組件發出之混合輻射

Claims (15)

  1. 一種光電半導體組件，包括半導體晶片(1)，其中- 此半導體晶片(1)具有一適合用來產生輻射之活性層(1a)，此活性層(1a)適合用來發出藍色波長範圍中的輻射，- 第一轉換器(3a)在發射方向中係配置在該半導體晶片(1)之後，該第一轉換器(3a)包含一種鈰-摻雜度，- 第二轉換器(3b)在發射方向中係配置在該半導體晶片(1)之後，該第二轉換器(3b)包含最多1.5%之鈰-摻雜度，其中- 該第一轉換器(3a)所具有的鈰-摻雜度大於該第二轉換器(3b)者。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體組件，其中該第一轉換器(3a)所具有的由該第一轉換器(3a)在操作時所發出之電磁輻射之主波長是在565奈米(含)和575奈米(含)之間的範圍中，且第二轉換器(3b)所具有的由該第二轉換器(3b)在操作時所發出之電磁輻射之主波長是在550奈米(含)和560奈米(含)之間的範圍中。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體組件，其中該第一轉換器(3a)具有至少2.5%之鈰-摻雜度。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體組件，其中該第一轉換器(3a)將該半導體晶片(1)所發出之輻射的至少一部份轉換成黃色及/或黃-橘色波長範圍中的輻射。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體組件， 其中該第二轉換器(3b)將該半導體晶片(1)所發出之輻射的至少一部份轉換成綠色波長範圍中的輻射。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體組件，其中該第一轉換器(3a)是YAG-或TAG-轉換器且第二轉換器(3b)是YAG-轉換器。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之半導體組件，其中該第一轉換器(3a)具有一種介於565奈米(含)和575奈米(含)之間的範圍中的主波長。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之半導體組件，其中該第一轉換器(3b)之主波長適合用來修正彩色位置。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之半導體組件，其中該第二轉換器(3b)具有一種介於550奈米(含)和560奈米(含)之間的範圍中的主波長。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之半導體組件，其中該第二轉換器(3a)之主波長依據人類眼睛之眼睛敏感度來調整。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之半導體組件，其中該第一及/或第二轉換器(3a、3b)是以Y3Al5O12：Ce3+-為主之轉換器。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項之半導體組件，其中該第一轉換器(3a)及/或該第二轉換器(3b)形成為轉換器小板。
  13. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之半導體組件，其中該第一轉換器(3a)及該第二轉換器(3b)形成一 共同之轉換器混合件。
  14. 一種包括如申請專利範圍第1至13項中任一項所述之半導體組件的模組。
  15. 一種如申請專利範圍第13項所述之模組的用途，其用作背景照明。
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