WO2018172173A1 - Lichtemittierende anordnung mit lichtemittierendem halbleiterelement - Google Patents

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WO2018172173A1
WO2018172173A1 PCT/EP2018/056495 EP2018056495W WO2018172173A1 WO 2018172173 A1 WO2018172173 A1 WO 2018172173A1 EP 2018056495 W EP2018056495 W EP 2018056495W WO 2018172173 A1 WO2018172173 A1 WO 2018172173A1
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light
emitting
wafer
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emitting semiconductor
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PCT/EP2018/056495
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Steffen Block
Stephan Ebner
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Zumtobel Lighting Gmbh
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    • H01L33/60—Reflective elements

Definitions

  • the present invention relates to a light-emitting device according to the preamble of claim 1, which comprises a plate-shaped carrier element and at least one light-emitting element formed on the carrier element
  • Semiconductor element comprises.
  • LEDs have very small dimensions, in particular they are
  • operating devices such as, for example, converters, which are available as separate units and are coupled in a corresponding manner with the LEDs or the boards carrying the LEDs.
  • Such operating devices have a significantly greater height compared to the LEDs, so that the possibilities
  • the present invention has for its object to provide a novel solution for implementing light-emitting devices, which allows to reduce the overall height of the arrangement.
  • the object is achieved by a light-emitting device having the features of claim 1.
  • LEDs have traditionally been carried out on so-called wafers, ie disc-shaped substrates consisting of sapphire. Such a sapphire wafer is then processed accordingly, e.g. coated with materials and patterned by partially removing material appropriately to form individual LEDs. In a subsequent step, the wafer is then divided according to the individual LEDs, in particular sawn, so that the LEDs are then further processed as separate components. These individual LEDs are then, for example, applied to the already mentioned printed circuit boards and then connected to the corresponding driver electronics. In this context, although it is known to position individual LED chips directly on the back of a corresponding driver electronics, also in this case, both components, ie driver electronics and LED, are separately manufactured and interconnected in a later assembly step in the first step.
  • the starting point for the solution according to the invention is now the fact that it is also possible in the meantime to realize LEDs not only on a sapphire wafer but, for example, also on a silicon wafer or a gallium nitrite wafer.
  • the use of these materials as a starting point for the production of LEDs brings with it the advantage that corresponding wafers are already being used in many cases for the realization of microelectronic components, in particular for the realization of so-called integrated circuits. For example. It is known to construct the structures of microprocessors or memory elements on such wafers of silicon or gallium nitrite.
  • a common carrier element in the form of a wafer, on which not only the LEDs are constructed, but at the same time also additional electronic components which interact with the LEDs.
  • These components may be, for example, components of a driver electronics for operating the LEDs, an intelligent circuit for Actuate the LEDs, a memory component, an interface component and / or a sensor element act.
  • a light-emitting arrangement which has a plate-shaped carrier element in the form of a wafer and at least one light-emitting semiconductor element formed on the wafer, wherein on the wafer at least one further electronic component is formed, which is part of a driver electronics for operating the light-emitting
  • the space required for the light-emitting device can be significantly reduced.
  • light-emitting arrangements with extremely low height can be realized, which open the possibility to realize very flat lights or other luminous units.
  • the integration of light and electronics according to the invention leads to an extremely high degree of miniaturization of the components involved, and due to the fact that they are produced in a uniform operation, their interaction with each other is also optimized. Furthermore, no separate connection of the electronic components with the light-emitting
  • the positioning of the additional electronic component on the wafer can take place in various ways. It is preferably provided that at least part of the further electronic component is formed on the same surface of the wafer on which the light-emitting semiconductor element is also positioned. However, another additional electronic component or another part of the electronic component can also be found on the be formed semiconductor light emitting element opposite side of the wafer. When using a corresponding so-called. Double-sided wafer can then be a subdivision regarding the function of the additional electronic
  • Components are made. For example, those are preferred
  • Components which are directly responsible for the power supply of the semiconductor light emitting element so for example.
  • Other components eg. Components of a smart circuit for
  • Driving the driver or semiconductor light-emitting element may then be positioned on the opposite side of the wafer.
  • the wafer can have a raised edge region which laterally surrounds the light-emitting semiconductor element and, if appropriate, electronic components formed on the same surface of the wafer. Additional protection of the components formed on this surface of the wafer can then be further achieved by providing a glass substrate which covers at least the semiconductor light-emitting element and, if appropriate, also electronic components formed on the same surface of the wafer. This glass substrate thus initially serves to protect the corresponding units, but beyond that, it can also be used in the sense of a
  • the glass substrate may have corresponding structurings, for example in the form of lenses or the like, which initially concentrate the light emitted by the light-emitting semiconductor element in a wide angular range or otherwise influence it in the desired manner.
  • the above-described idea can also be used to individually adapt the light-emitting properties of the light-emitting arrangement.
  • this can be done, for example, by having several
  • light-emitting semiconductor elements are provided, each associated with different light-influencing structures, wherein the light-emitting
  • Semiconductor elements are preferably individually controllable. Depending on the nature of the desired Lichtabstrahl plausibleizing, then that is the corresponding activated light-influencing structure associated semiconductor light-emitting element.
  • Another advantageous development of the invention may be that in each case a plurality of light-emitting semiconductor elements are combined to form a so-called cluster, which is then assigned together an optical element for influencing the light output. Also in this case, the light-emitting semiconductor elements of the cluster are preferably individually controllable, wherein
  • the semiconductor light-emitting elements are positioned differently with respect to the optical element and / or each emit light of a different color.
  • the different positioning of the semiconductor light-emitting elements are positioned differently with respect to the optical element and / or each emit light of a different color.
  • Semiconductor elements have the consequence that they are influenced by the common optical element of the cluster in different ways with regard to the light output. That is, even in this case, the distribution of the total
  • light-emitting semiconductor elements are provided which emit light of different color, white light or colored mixed light in a desired hue or a desired color temperature can be generated by a corresponding activation.
  • the light-emitting arrangement may have a housing which frames the underside and the circumference of the wafer. This housing then serves as additional protection, in particular for those components which at the bottom or the
  • a further advantageous embodiment of the inventive concept may also consist in that the wafer consists of an at least partially transparent material.
  • mirrors or light-reflecting layers assigned to the light-emitting semiconductor elements are then preferably provided directly, with the aid of which the light can be selectively coupled out of the arrangement in a specific direction.
  • such mirrors are not absolutely necessary and can also be omitted, for example in the event that both a direct illumination and an indirect illumination should be achieved with the aid of a planar light-emitting arrangement according to the invention.
  • the mirrors can also be provided individually on certain sides of the respective light-emitting elements in this application, so that then in the event that the light-emitting semiconductor elements are individually controllable, again targeted
  • Influence can be made on how much light is emitted in which direction.
  • corresponding optical elements or structures may also be formed on the surface of the wafer, via which the direction of the light emission of the associated light-emitting semiconductor element is influenced.
  • a plurality of light-emitting are on the wafer
  • Semiconductor elements are formed in a uniform grid distributed on the wafer, in which case the gaps can be used to arrange the additional electronic component.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a light-emitting device according to the invention.
  • Figures 2 5 further embodiments of an inventive
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the light-emitting arrangement in which different optical elements are assigned to the light-emitting semiconductor elements
  • FIGS. 7a and 7b show exemplary embodiments of the light-emitting arrangement in which a plurality of light-emitting semiconductor elements are combined to form clusters;
  • Figure 13 is a plan view of a light-emitting system, which
  • Figures 1 - 5 show sectional views of different variants of a light-emitting device according to the invention, wherein the section is made perpendicular to the plane of the wafer. In this view, the structural design that results in light emitting devices with very low heights can be realized, well recognizable.
  • Numeral 100 provided light-emitting device is thus initially the wafer 10, which is usually disc-shaped and forms the output element for realizing the inventive arrangement 100.
  • LEDs have been formed primarily on sapphire wafers.
  • the wafer 10 is preferably made of silicon or gallium nitrite. Even such materials can be used in the meantime for the realization of LEDs However, they have the advantage that they have already been widely used in the past for the realization of microelectronic components.
  • LEDs 20 are formed on a first surface 11 of the wafer 10, in this case the so-called top side of the wafer 10. It is irrelevant to the present invention what type of LEDs it is. In the context of the invention, it is thus possible to provide on the surface 11 of the wafer 10 both white-light LEDs of any desired color temperature and also colored LEDs, which are then possibly combined to form LED clusters, which are then joined together
  • the LEDs 20 are in this case formed on the wafer in a known manner, by being coated with materials or machined in a corresponding manner in order to produce LED structures. In the event that several LEDs 20 are used, these are preferably distributed, in particular uniformly - e.g. in the form of a grid - distributed.
  • the LEDs 20 remain on the wafer 10 and in addition to the LEDs 20 and other electronic components on the wafer 10 are constructed.
  • the further components are likewise formed on the upper side 11 of the wafer 10, ie on the same side as the LEDs 20. It is in the illustrated
  • components are also provided which form an intelligent circuit 30 and an interface 35, which enable driving of the LEDs 20 as well as communication of the light-emitting arrangement 100 with external units.
  • the integrated electronic components formed on the wafer 10 also only partially, for example, of the
  • driver electronics such as controllable switches or the like, which are often realized in the form of transistors, as well as control components for driving the controllable switch, however, can readily be directly built directly on the wafer 10 in the manner according to the invention. Furthermore, variants of driver electronics are known which do not require passive components. Such drivers can then in principle be completely built up on the wafer 10 (semiconductor wafer).
  • the interface 35 may also have additional external elements in the form of connections, which then allow a wired connection with external units.
  • the microelectronically realizable components of the interface 35 are then again formed directly on the wafer 10 in the manner according to the invention.
  • the wafer 10 is additionally provided with a circumferential edge region 13 on the side on which the LEDs 20 and the further electronic components 25, 30 and 35 are formed. This framed the formed on this surface 11 of the wafer 10 electronic components and serves accordingly as a side protection.
  • An upward protection is preferably achieved by an additional glass substrate 50, which in terms of its dimensions preferably approximately
  • the wafer 10 corresponds. This then covers the entire assembly 100 from the top and protects both the LEDs 20 and the others electronic components 25, 30, 35 against external influences. At the same time, however, the passage of light is made possible for the light emitted by the LEDs 20.
  • an arrangement 100 is realized, which has an extremely low profile and despite all integrated already includes almost all components that are required for a comfortable light generation.
  • This arrangement 100 can then be used, for example, as a so-called light engine in luminaire.
  • FIGS. 2 to 5 further developments of the solution according to the invention explained with reference to FIG. 1 will be presented. The same elements have been given the same reference numerals.
  • Components 25, 30, 35 is provided, but instead a double-sided wafer 10 is used.
  • the LEDs 20 and the associated drivers 25 are formed on the underside 12 of the wafer 10 opposite the LEDs 20.
  • the microprocessor architecture 30 and the interface 35 are formed on the underside 12 of the wafer 10 opposite the LEDs 20.
  • Such a configuration may be useful if the packing density of the LEDs 20 is to be increased on the side provided for the light emission and accordingly the remaining space can not be used to form all other electronic components.
  • preferably only the drivers 25 are formed on the same surface of the wafer 10, since they interact directly with the LEDs 20.
  • the other electronic components, in this case the microprocessor architecture 30 and the interface 35, on the other hand are then formed on the opposite underside 12.
  • the overall height of the entire arrangement as a whole is somewhat increased but, despite everything, is still well below the building heights of previous solutions for realizing light-emitting arrangements.
  • FIG. 2 also shows that the use of a glass substrate 10 as a cover of the arrangement 100 is not absolutely necessary. Unless the arrangement may be sufficiently protected in later use by other measures, the glass substrate 10 may possibly be dispensed with.
  • Glass substrate 50 is provided. However, this now not only serves to protect the corresponding components, but is also used at the same time as the primary optics. This is achieved by providing on the outer surface of the glass substrate 50
  • refractive structures are provided for influencing the light emitted by the associated LEDs 20.
  • the structures in the form of lenses 55 are formed, wherein optionally the surface of the glass substrate 50, which thus forms the light emitting surface of the light-emitting device 100, could possibly also be structured differently. It would be conceivable, for example, the training of
  • FIGS. 4 and 5 correspond to those of FIGS. 2 and 3, but now the underside of the light-emitting arrangement 100 is also additionally protected. This is made possible by the use of an additional housing 60, which consists of a bottom surface 61 and a peripheral edge 62, so that the wafer 10 with the components formed thereon can be inserted into the housing 60.
  • primary optics 55a to 55f associated with the LEDs 20 are provided on the surface of the glass substrate 50.
  • each LED 20 is associated with a differently designed primary optics 55a to 55f, which thus affects the light of the associated LED 20 in each case in different ways.
  • the desired primary optics 55a to 55f are provided on the surface of the glass substrate 50.
  • FIGS. 7a and 7b Another possibility for adjusting the light-emitting properties of the arrangement 100 according to the invention during operation is shown in FIGS. 7a and 7b.
  • Both variants initially correspond, for example, to the exemplary embodiment shown in FIG. 5, in which therefore a double-sided wafer 10 is provided, wherein further electronic components 30 and 35 are formed on the rear side facing away from the LEDs 20.
  • the thoughts described below could equally be used in an unhoused light-emitting arrangement.
  • cluster 80 are summarized and this cluster 80 a
  • common optics 85 which is again executed in the illustrated embodiment in the form of a lens assigned.
  • the use of the housing 60 is advantageous in this case, as the housing 60 can also be used simultaneously for mounting or storage of the optics 85.
  • the LEDs 20 of a cluster 80 are individually controllable and, due to their different positioning with respect to the optics 85, are influenced by these optics 85 in different ways in each case. For example, while the light of the centrally located LED 20 centrally impinges on the optics or lens 85 and is accordingly influenced by the optics 85 in such a way that a substantially symmetrical light beam is emitted, the light of the rather laterally arranged LEDs 20 becomes asymmetrical affected. Depending on which LED 20 of the cluster 80 is now activated or with which power the various LEDs 20 are operated, then the overall light distribution curve of the light generated by the LED cluster 80 and emitted by the optics 85 can be set become. Also in this case, it is possible to adjust the light distribution curve accordingly during operation.
  • a multiplicity of individual LED clusters 80 with associated optics 85 will be provided on the wafer 10, which then, in turn, correspondingly achieve an areal light output with the desired light distribution curve.
  • a plurality of LEDs 20 are likewise combined to form a cluster 80, wherein the light output of the cluster 80 is in turn influenced by an overall optic 85 assigned to the cluster.
  • an overall optic 85 assigned to the cluster In particular, however, it is provided in the variant according to FIG. 7b that differently colored LEDs 20 are used in the cluster 80.
  • Electronic control can then be used to achieve single or desired mixed colors on a micro level. In particular, it is possible in this way to achieve white light without the use of appropriate color conversion agents such as phosphors or the like.
  • the LEDs are positioned differently with respect to the overall optics 85, so that their light is again influenced by the optics 85 as a function of the position.
  • the differently colored LEDs 20 alternately are arranged, so for example always shifted over a certain angle or are positioned rotated, so that the position-dependent influence of the light is balanced on average and overall a homogeneous light output is achieved.
  • three LEDs 20 are embodied, for example, in the colors red, green and blue. Of course, however, several colors could be combined to form a cluster.
  • FIGS. 8 to 12 show further variants of a device according to the invention
  • the wafer 10 is designed to be transparent or at least semi-transparent. Wafers themselves already consist of a material that is transparent at least for certain wavelengths, but they are then usually mirrored on a surface. This mirror layer can then be used, for example, in all embodiments described so far, to decouple the light via a desired side of the wafer 10.
  • the reflective coating of the surface of the wafer 10 is omitted in a targeted manner and that the light is correspondingly translucent, such that other light can shine through and a certain degree of transparency is achieved.
  • This idea is shown schematically in FIG. 8, wherein it can be seen that external light 200 can pass through the arrangement 100 in both directions. The prerequisite for this is, of course, that the light emitting in the wafer 10 constructed
  • Semiconductor elements 20 and the other electronic components, here the driver 25, are positioned so that free intermediate areas remain, which allow light to pass through.
  • the drivers 25 are embodied below the associated LEDs 20.
  • between the LEDs 20 and the associated drivers 25 each have a mirror 22 and a reflective layer is formed.
  • FIG. 8 An alternative variant to the embodiment according to FIG. 8 is shown in FIG. Again, the LEDs 20 and associated drivers 25 are positioned to leave gaps that allow external light 200 to pass through. However, the positioning of the drivers 25 now takes place laterally to the LEDs 20, so that their light as shown can leave the arrangement 100 on both flat sides. With the aid of the embodiment shown in FIG. 9, a combined illumination for a direct light emission and an indirect light emission can thus be achieved.
  • the external light 200 can not only pass through the arrangement 100 in the intermediate spaces, but also in the region of the LEDs 20, which are also permeable to these wavelengths, which are also at least light-specific.
  • an arrangement of the LEDs 20 and the associated driver 25 is provided in the same way as in the variant according to FIG.
  • At least some LEDs 20 are associated with individual mirrors or reflecting layers 22 which, however, are partially arranged on the underside and in other cases on the upper side of the LEDs 20. As can be seen, it is determined by the arrangement and positioning of the mirror 22 in which direction the light of the associated LED 20 is emitted. By correspondingly driving the respective LEDs 20, the ratio of the light which is emitted on the one hand to the upper side and, on the other hand, to the lower side can therefore be adjusted.
  • FIG. 11 shows a variant in which, in turn, a rather flat arrangement of the LEDs 20 and the associated driver 25 is provided.
  • the wafer 10 is basically made transparent and a passage of external light 200 is made possible in that the light can pass through the areas in which the LEDs 20 are formed.
  • the external light 200 can also pass through the LED semiconductor material.
  • optical structures 90 are provided on the outer surface of the arrangement 100, which reflect the light or shade in a comparable manner as in the known LCD technique. These structures 90 can thus be designed in particular controllable to the direction of the corresponding
  • the previously mentioned mirror 22 need not be designed only on the top or bottom of an associated LED 20.
  • a corresponding mirror 22 is formed laterally of an LED 20. This opens up the possibility, as shown, to decouple light from the side and via an end face of the
  • FIG. 12 shows a schematic plan view of a further variant of an arrangement 100 according to the invention.
  • a classical CPU processor unit 70 is provided which, in addition to corresponding computing cores, also has memory or cache memory units, a system controller and an I / O interface.
  • This unit 70 represents the central intelligent component of the entire arrangement 100, via which a communication with external components and a suitable control of the driver 25 with the associated LEDs 20 is performed.
  • additional storage elements 75 and the electronic components of an interface 35 may be provided separately from the CPU unit 70. This is then the communication with external separate units, which can be done both wired (eg. In the form of a USB port) and wireless (eg. By WiFi).
  • wired eg. In the form of a USB port
  • WiFi wireless
  • Power supply are then arranged on the wafer 10 in a suitable manner.
  • other electronic components could also be realized on the wafer in accordance with the invention.
  • This relates in particular to components of a sensor system via which, for example, information about the ambient brightness and / or the presence of persons in an area to be illuminated can be obtained.
  • the space requirement of such sensor elements can be reduced by being able to be formed at least partially integrated with the LEDs on the wafer.

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Abstract

Eine lichtemittierende Anordnung (100) weist ein plattenförmiges Trägerelement in Form eines Wafers (10) sowie zumindest ein auf dem Wafer (10) ausgebildetes lichtemittierendes Halbleiterelement (20) auf, wobei auf dem Wafer (10) zumindest eine weitere elektronische Komponente ausgebildet ist, welche Bestandteil einer Treiberelektronik (25) zum Betreiben des lichtemittierenden Halbleiterelements (20), einer intelligenten Schaltung (30, 70) zum Ansteuern des lichtemittierenden Halbleiterelements (20), einer Speicher-Komponente (75), einer Interface-Komponente (35) und/oder eines Sensorelements ist.

Description

Lichtemittierende Anordnung mit lichtemittierendem Halbleiterelement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , welche ein plattenförmiges Trägerelement sowie zumindest ein auf dem Trägerelement ausgebildetes lichtemittierendes
Halbleiterelement aufweist.
LEDs haben sich zwischenzeitlich in nahezu sämtlichen Gebieten der
Beleuchtungstechnologie durchgesetzt. Im Vergleich zu klassischen Lichtquellen weisen LEDs sehr geringe Abmessungen auf, insbesondere handelt es sich um
Elemente mit einer sehr geringen Bauhöhe, sodass der Platzbedarf im Vergleich zu den herkömmlichen Lichtquellen deutlich reduziert werden kann. Sollen größere leuchtende Flächen realisiert werden, so kommen oftmals Anordnungen zum Einsatz, die Platinen mit mehrerer verteilt angeordneten LEDs aufweisen. Hierdurch können sowohl flächige als auch längliche Lichtquellen in einfacher Art und Weise geschaffen werden.
Damit LEDs effizient betrieben werden können, ist es in der Regel erforderlich, die allgemein zur Verfügung stehende Netzversorgungsspannung in eine geeignete Betriebsspannung für die LEDs umzusetzen. Verantwortlich hierfür sind
entsprechende Betriebsgeräte wie bspw. Konverter, die als separate Einheiten zur Verfügung stehen und in entsprechender Weise mit den LEDs bzw. den die LEDs tragenden Platinen gekoppelt werden. Derartige Betriebsgeräte weisen im Vergleich zu den LEDs eine deutlich größere Bauhöhe auf, sodass die Möglichkeiten,
lichtemittierende Anordnungen hinsichtlich ihrer Höhe zu reduzieren, begrenzt sind. Wird der Konverter hingegen ausgelagert und damit entfernt von den LEDs bzw. der LED-Platine positioniert, so ist ein aufwendiges Verbinden zwischen beiden
Komponenten erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, eine neuartige Lösung zum Realisieren lichtemittierender Anordnungen anzugeben, die es gestattet, die Bauhöhe der Anordnung zu reduzieren. Die Aufgabe wird durch eine lichtemittierende Anordnung, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Herstellung von LEDs erfolgt bislang üblicherweise auf sogenannten Wafern, also scheibenförmigen Substraten, die aus Saphir bestehen. Ein derartiger Saphir- Wafer wird dann entsprechend bearbeitet, also z.B. mit Materialien beschichtet und durch teilweises Entfernen von Material in geeigneter Weise strukturiert, um individuelle LEDs zu bilden. In einem darauffolgenden Arbeitsschritt wird dann der Wafer entsprechend den einzelnen LEDs unterteilt, insbesondere zersägt, sodass die LEDs dann als separate Komponenten weiterverarbeitet werden. Diese einzelnen LEDs werden dann bspw. auf die bereits erwähnten Leiterplatten aufgebracht und diese dann mit der entsprechenden Treiberelektronik verbunden. In diesem Zusammenhang ist zwar bekannt, einzelne LED-Chips unmittelbar auf der Rückseite einer entsprechenden Treiberelektronik zu positionieren, auch in diesem Fall werden allerdings im ersten Schritt beide Komponenten, also Treiberelektronik und LED, separat hergestellt und in einem späteren Montageschritt miteinander verbunden.
Ausgangspunkt für die erfindungsgemäße Lösung ist nunmehr die Tatsache, dass es zwischenzeitlich auch möglich ist, LEDs nicht nur auf einem Saphir-Wafer zu realisieren, sondern bspw. auch auf einem Silizium- Wafer oder einem Gallium-Nitrit- Wafer. Die Verwendung dieser Materialien als Ausgangspunkt für die LED- Herstellung bringt dabei den Vorteil mit sich, dass entsprechende Wafer auch bereits jetzt vielfach zum Realisieren mikroelektronischer Komponenten, insbesondere zum Realisieren sog. integrierter Schaltkreise genutzt werden. Bspw. ist es bekannt, die Strukturen von Mikroprozessoren oder Speicherelementen auf derartigen Wafern aus Silizium oder Gallium-Nitrit aufzubauen.
Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, ein gemeinsames Trägerelement in Form eines Wafers zu nutzen, auf dem nicht nur die LEDs aufgebaut werden, sondern gleichzeitig auch zusätzliche elektronische Komponenten, welche mit den LEDs zusammenwirken. Bei diesen Komponenten kann es sich bspw. um Bestandteile einer Treiberelektronik zum Betreiben der LEDs, einer intelligenten Schaltung zum Ansteuern der LEDs, einer Speicher-Komponente, einer Interface-Komponente und/oder eines Sensorelements handeln.
Erfindungsgemäß wird also eine lichtemittierende Anordnung vorgeschlagen, welche ein plattenförmiges Trägerelement in Form eines Wafers sowie zumindest ein auf dem Wafer ausgebildetes lichtemittierendes Halbleiterelement aufweist, wobei auf dem Wafer zumindest eine weitere elektronische Komponente ausgebildet ist, welche Bestandteil einer Treiberelektronik zum Betreiben des lichtemittierenden
Halbleiterelements, einer intelligenten Schaltung zum Ansteuern des
lichtemittierenden Halbleiterelements, einer Speicher-Komponente, einer Interface- Komponente und/oder eines Sensorelements ist.
Dadurch, dass nunmehr ein gemeinsames Trägerelement bzw. ein gemeinsamer Wafer zum Realisieren sowohl des lichtemittierenden Halbleiterelements als auch
zusätzlicher elektronischer Komponenten genutzt wird, kann der Platzbedarf für die lichtemittierende Anordnung deutlich reduziert werden. Insbesondere können lichtemittierende Anordnungen mit extrem geringer Bauhöhe realisiert werden, welche die Möglichkeit eröffnen, sehr flache Leuchten oder andere leuchtende Einheiten zu realisieren. Die erfindungsgemäße Integration von Licht und Elektronik führt zu einer extrem starken Miniaturisierung der beteiligten Komponenten, wobei aufgrund der Tatsache, dass diese in einem einheitlichen Arbeitsvorgang hergestellt werden, auch deren Zusammenwirken untereinander optimiert wird. Ferner ist auch kein separates Verbinden der elektronischen Komponenten mit dem lichtemittierenden
Halbleiterelement zu einem späteren Zeitpunkt erforderlich. Stattdessen muss die erfindungsgemäße Anordnung lediglich an externe Stromversorgungsleitungen angeschlossen werden. Dies führt zu zusätzlichen Vorteilen hinsichtlich der
Herstellung und Montage entsprechender Anordnungen.
Die Positionierung der zusätzlichen elektronischen Komponente an dem Wafer kann dabei in verschiedener Weise erfolgen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der weiteren elektronischen Komponente auf der gleichen Oberfläche des Wafers ausgebildet ist, auf der auch das lichtemittierende Halbleiterelement positioniert ist. Eine weitere zusätzliche elektronische Komponente oder ein weiterer Teil der elektronischen Komponente kann allerdings auch auf der dem lichtemittierenden Halbleiterelement gegenüberliegenden Seite des Wafers ausgebildet sein. Bei Verwendung eines entsprechenden sog. doppelseitigen Wafers kann dann eine Unterteilung hinsichtlich der Funktion der zusätzlichen elektronischen
Komponenten vorgenommen werden. So sind bspw. bevorzugt diejenigen
Komponenten, die unmittelbar für die Stromversorgung des lichtemittierenden Halbleiterelements verantwortlich sind, also bspw. Komponenten des Treibers auf der gleichen Seite wie auch das lichtemittierende Halbleiterelement angeordnet. Andere Komponenten hingegen, bspw. Bestandteile einer intelligenten Schaltung zum
Ansteuern des Treibers bzw. des lichtemittierenden Halbleiterelements können dann auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers positioniert werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Wafer einen erhöhten Randbereich aufweist, der das lichtemittierende Halbleiterelement sowie ggf. auf der gleichen Oberfläche des Wafers ausgebildete elektronische Komponenten seitlich umrahmt. Ein zusätzlicher Schutz der auf dieser Oberfläche des Wafers ausgebildeten Komponenten kann dann ferner dadurch erzielt werden, dass ein Glassubstrat vorgesehen ist, welches zumindest das lichtemittierende Halbleiterelement sowie ggf. auch auf der gleichen Oberfläche des Wafers ausgebildete elektronische Komponenten überdeckt. Dieses Glassubstrat dient also zunächst einmal dem Schutz der entsprechenden Einheiten, darüber hinausgehend kann es allerdings auch dazu benutzt werden, im Sinne einer
Primäroptik das von dem lichtemittierenden Halbleiterelement abgegebene Licht zu beeinflussen. Hierfür kann das Glassubstrat entsprechende Strukturierungen bspw. in Form von Linsen oder dergleichen aufweisen, die das von dem lichtemittierenden Halbleiterelement üblicherweise in einen breiten Winkelbereich abgegebene Licht zunächst einmal bündeln oder anderweitig in gewünschter Weise beeinflussen.
Der zuvor beschriebene Gedanke kann ferner auch dazu genutzt werden, individuell die Lichtabstrahleigenschaften der lichtemittierenden Anordnung anzupassen. In einem ersten Schritt kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass mehrere
lichtemittierende Halbleiterelemente vorgesehen sind, denen jeweils verschiedene lichtbeeinflussende Strukturen zugeordnet sind, wobei die lichtemittierenden
Halbleiterelemente vorzugsweise individuell steuerbar sind. Je nach Art der gewünschten Lichtabstrahlcharakteristik, wird dann also das der entsprechenden lichtbeeinflussenden Struktur zugeordnete lichtemittierende Halbleiterelement aktiviert.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, dass jeweils mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente zu einem sogenannten Cluster zusammengefasst sind, dem dann gemeinsam ein optisches Element zur Beeinflussung der Lichtabgabe zugeordnet ist. Auch in diesem Fall sind die lichtemittierenden Halbleiterelemente des Clusters vorzugsweise individuell steuerbar, wobei
vorzugsweise vorgesehen ist, dass die lichtemittierenden Halbleiterelemente in Bezug auf das optische Element unterschiedlich positioniert sind und/oder jeweils Licht einer unterschiedlichen Farbe emittieren. Die unterschiedliche Positionierung der
Halbleiterelemente hat zur Folge, dass diese durch das gemeinsame optische Element des Clusters in unterschiedlicher Weise hinsichtlich der Lichtabgabe beeinflusst werden. Das heißt, auch in diesem Fall kann die Verteilung des insgesamt
abgegebenen Lichts durch wahlweises Aktivieren geeignet positionierter
lichtemittierender Halbleiterelemente entsprechend eingestellt werden. Sind ferner lichtemittierende Halbleiterelemente vorgesehen, die Licht unterschiedlicher Farbe emittieren, so kann durch eine entsprechende Ansteuerung Weißlicht oder farbiges Mischlicht in einem gewünschten Farbton beziehungsweise einer gewünschten Farbtemperatur erzeugt werden.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann ferner die lichtemittierende Anordnung ein Gehäuse aufweisen, welches die Unterseite sowie den Umfang des Wafers umrahmt. Dieses Gehäuse dient dann als zusätzlicher Schutz, insbesondere auch für diejenigen Komponenten, die an der Unterseite bzw. der dem
lichtemittierenden Halbleiterelement gegenüberliegenden Seite des Wafers positioniert sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Konzepts kann ferner auch darin bestehen, dass der Wafer aus einem zumindest teilweise lichtdurchlässigen Material besteht. Bei einer entsprechend geeigneten Positionierung der
lichtemittierenden Halbleiterelemente sowie der weiteren elektronischen Komponenten kann dann der Effekt erzielt werden, dass externes Licht durch die lichtemittierende Anordnung hindurchscheinen kann und somit eine gewisse Transparenz der Anordnung erzielt wird. Hierdurch eröffnen sich neuartige Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße lichtemittierende Anordnung und es besteht die Möglichkeit, das mit Hilfe der lichtemittierenden Halbleiterelemente künstlich erzielte Licht gezielt zur Ergänzung beziehungsweise Unterstützung des durch die Anordnung
hindurchscheinenden Tageslichts zu nutzen. Innerhalb der Anordnung sind dann vorzugsweise unmittelbar den lichtemittierenden Halbleiterelementen zugeordnete Spiegel beziehungsweise lichtreflektierende Schichten vorgesehen, mit deren Hilfe das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung aus der Anordnung ausgekoppelt werden kann. Derartige Spiegel sind allerdings nicht zwingend erforderlich und können auch weggelassen werden, beispielsweise für den Fall, dass mit Hilfe einer flächigen erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung sowohl eine direkte Beleuchtung als auch eine indirekte Beleuchtung erzielt werden soll. Allerdings können die Spiegel auch in diesem Anwendungsfall individuell an bestimmten Seiten der jeweiligen lichtemittierenden Elemente vorgesehen sein, sodass dann für den Fall, dass die lichtemittierenden Halbleiterelemente individuell steuerbar sind, wiederum gezielt
Einfluss darauf genommen werden kann, wieviel Licht in welche Richtung abgegeben wird. Alternativ zu den in dem Wafer ausgebildeten Spiegeln könnten ferner auch an der Oberfläche des Wafers entsprechende optische Elemente oder Strukturen ausgebildet sein, über welche die Richtung der Lichtabgabe des zugeordneten lichtemittierenden Halbleiterelements beeinflusst wird.
Vorzugsweise sind auf dem Wafer eine Vielzahl von lichtemittierenden
Halbleiterelementen ausgebildet, wodurch eine flächige Lichtquelle realisiert werden kann. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die lichtemittierenden
Halbleiterelemente in einem gleichmäßigen Raster verteilt auf dem Wafer ausgebildet sind, wobei dann die Zwischenräume zum Anordnen der zusätzlichen elektronischen Komponente genutzt werden können.
Insgesamt eröffnet die erfindungsgemäße Lösung also die Möglichkeit, äußerst kompakte und flache Anordnungen zum Erzeugen von Licht zu realisieren.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung;
Figuren 2 5 weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen
lichtemittierenden Anordnung;
Figur 6 eine weiteres Ausführungsbeispiel der lichtemittierenden Anordnung, bei dem den lichtemittierenden Halbleiterelementen unterschiedliche optische Elemente zugeordnet sind;
Figuren 7a und 7b Ausführungsbeispiele der lichtemittierenden Anordnung, bei denen mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente jeweils zu Clustern zusammengefasst sind;
Figuren 8 bis 12 Ausführungsbeispiele der lichtemittierenden Anordnung, bei denen der Wafer transparent ausgeführt ist; und
Figur 13 die Aufsicht auf ein lichtemittierendes System, welches
erfindungsgemäß ausgeführt ist.
Die Figuren 1 - 5 zeigen Schnittdarstellungen unterschiedlicher Varianten einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung, wobei der Schnitt senkrecht zur Ebene des Wafers ausgeführt ist. In dieser Ansicht ist der strukturelle Aufbau, der dazu führt, dass lichtemittierende Anordnungen mit sehr geringen Bauhöhen realisiert werden können, gut erkennbar.
Zentrales tragendes Element der erfindungsgemäßen, allgemein mit dem
Bezugszeichen 100 versehenen lichtemittierenden Anordnung ist also zunächst der Wafer 10, der üblicherweise scheibenförmig ausgebildet ist und das Ausgangselement zum Realisieren der erfindungsgemäßen Anordnung 100 bildet. Wie eingangs erwähnt, wurden LEDs bislang in erster Linie auf Wafern aus Saphir gebildet. Im vorliegenden Fall besteht der Wafer 10 allerdings bevorzugt aus Silizium oder Gallium-Nitrit. Auch derartige Materialien können zwischenzeitlich zum Realisieren von LEDs genutzt werden, bringen allerdings den Vorteil mit sich, dass sie bereits in der Vergangenheit vielfach zum Realisieren mikroelektronischer Komponenten genutzt wurden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist also zunächst vorgesehen, dass an einer ersten Oberfläche 1 1 des Wafers 10, hier der sog. Oberseite des Wafers 10, lichtemittierende Halbleiterelemente in Form von LEDs 20 ausgebildet sind. Es ist für die vorliegende Erfindung unerheblich, um welche Art von LEDs es sich handelt. Im Rahmen der Erfindung können auf der Oberfläche 11 des Wafers 10 also sowohl Weißlicht-LEDs einer beliebigen Farbtemperatur als auch farbige LEDs vorgesehen sein, die dann ggf. zu LED-Clustern zusammengeführt sind, welche durch
entsprechende Ansteuerung der jeweiligen Farbe ein Mischlicht einer nahezu beliebigen Farbe oder Farbtemperatur erzeugen können. Die LEDs 20 werden hierbei in bekannter Weise auf dem Wafer ausgebildet, indem dieser mit Materialien beschichtet oder entsprechend abtragend bearbeitet wird, um LED-Strukturen zu erzeugen. Für den Fall, dass mehrere LEDs 20 zum Einsatz kommen, sind diese vorzugsweise verteilt, insbesondere gleichmäßig - z.B. in Form eines Rasters - verteilt angeordnet.
Im Gegensatz zur bisherigen Vorgehensweise allerdings, bei der anschließend der Wafer nach dem Aufbauen der einzelnen LEDs unterteilt wurde und die hierbei resultierenden Einheiten dann separat als Einzel-LEDs weiterverarbeitet wurden, ist nunmehr vorgesehen, dass die LEDs 20 auf dem Wafer 10 verbleiben und zusätzlich zu den LEDs 20 auch weitere elektronische Komponenten auf dem Wafer 10 aufgebaut werden.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierbei die weiteren Komponenten ebenfalls auf der Oberseite 11 des Wafers 10, also auf der gleichen Seite wie auch die LEDs 20 ausgebildet. Es handelt sich im dargestellten
Ausführungsbeispiel einerseits um Bestandteile von Treibern 25, mit deren Hilfe die LEDs 20 betrieben werden. Andererseits sind auch Komponenten vorgesehen, die eine intelligente Schaltung 30 sowie ein Interface 35 bilden, welche ein Ansteuern der LEDs 20 sowie eine Kommunikation der lichtemittierenden Anordnung 100 mit externen Einheiten ermöglichen. Hierbei ist klarzustellen, dass die auf dem Wafer 10 integriert ausgebildeten zusätzlichen elektronischen Komponenten auch lediglich einen Teil bspw. des
Treibers, des Mikrokontrollers oder des Interfaces darstellen können und ggf.
makroskopische Elemente dieser Komponenten auch als separate Bauteile an der sich insgesamt ergebenden Anordnung vorgesehen sein können. Dies betrifft bspw. die Treiber 25, welche oftmals passive elektronische Komponenten wie bspw. Kapazitäten oder Induktivitäten aufweisen. Derartige Elemente sind in der Regel nur schwer mit Hilfe mikroelektronischer Komponenten zu realisieren, wobei in diesem Fall durchaus vorgesehen sein kann, entsprechende passive Bauelemente zusätzlich an der
Anordnung 100 anzuordnen. Andere Bestandteile der Treiberelektronik wie bspw. steuerbare Schalter oder dergleichen, die oftmals in Form von Transistoren realisiert werden, sowie Steuerkomponenten zum Ansteuern der steuerbaren Schalter können hingegen ohne Weiteres unmittelbar in der erfindungsgemäßen Weise auf dem Wafer 10 unmittelbar aufgebaut werden. Ferner sind auch Varianten von Treiberelektroniken bekannt, die keine passiven Bauelemente erfordern. Derartige Treiber können dann im Prinzip vollständig auf dem Wafer 10 (Halbleiterscheibe) aufgebaut werden.
Das zuvor gesagte gilt in gleicher Weise gilt dies auch für das Interface 35. Auch dieses kann ggf. zusätzliche externe Elemente in Form von Anschlüssen aufweisen, die dann eine kabelgebundene Verbindung mit externen Einheiten ermöglichen. Die mikroelektronisch realisierbaren Bestandteile des Interfaces 35 hingegen werden dann wiederum in der erfindungsgemäßen Weise unmittelbar auf dem Wafer 10 ausgebildet.
Wie in Figur 1 ferner erkennbar ist, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Wafer 10 an der Seite, an der die LEDs 20 sowie die weiteren elektronischen Komponenten 25, 30 bzw. 35 ausgebildet sind, zusätzlich mit einem umlaufenden Randbereich 13 versehen ist. Dieser umrahmt die auf dieser Oberfläche 11 des Wafers 10 ausgebildeten elektronischen Komponenten und dient dementsprechend als seitlicher Schutz.
Ein Schutz nach oben hin wird vorzugsweise durch ein zusätzliches Glassubstrat 50 erzielt, welches hinsichtlich seiner Abmessungen vorzugsweise in etwa der
Abmessung des Wafers 10 entspricht. Dieses deckt dann die gesamte Anordnung 100 von der Oberseite her ab und schützt sowohl die LEDs 20 als auch die weiteren elektronischen Komponenten 25, 30, 35 vor äußeren Einflüssen. Gleichzeitig wird allerdings der Lichtdurchtritt für das von den LEDs 20 abgegebene Licht ermöglicht.
Letztendlich wird also insgesamt gesehen eine Anordnung 100 realisiert, welche eine extrem geringe Bauhöhe aufweist und trotz allem bereits integriert nahezu sämtliche Komponenten beinhaltet, die für eine komfortable Lichterzeugung erforderlich sind. Diese Anordnung 100 kann dann beispielsweise als sog. Light-Engine in Leuchte zum Einsatz kommen. Anhand der Figuren 2 - 5 sollen nachfolgend denkbare Weiterbildungen der anhand von Figur 1 erläuterten erfindungsgemäßen Lösung vorgestellt werden. Gleiche Elemente wurden hierbei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der wesentliche Unterschied der in Figur 2 dargestellten Variante besteht hierbei darin, dass der Wafer 10 nicht nur einseitig mit LEDs 20 und elektronischen
Komponenten 25, 30, 35 versehen ist, sondern stattdessen ein doppelseitiger Wafer 10 zum Einsatz kommt. Auf der Oberseite 11 sind nunmehr lediglich die LEDs 20 sowie die zugehörigen Treiber 25 ausgebildet. Die Mikroprozessorarchitektur 30 und das Interface 35 hingegen sind an der den LEDs 20 gegenüberliegenden Unterseite 12 des Wafers 10 ausgebildet. Eine derartige Ausgestaltung kann dann sinnvoll sein, wenn die Packungsdichte der LEDs 20 auf der zur Lichtabgabe vorgesehenen Seite erhöht werden soll und dementsprechend der verbleibende Freiraum nicht zum Ausbilden aller weiteren elektronischen Komponenten genutzt werden kann. In diesem Fall sind vorzugsweise lediglich die Treiber 25 auf der gleichen Oberfläche des Wafers 10 ausgebildet, da diese unmittelbar mit den LEDs 20 zusammenwirken. Die weiteren elektronischen Komponenten, hier also die Mikroprozessorarchitektur 30 und das Interface 35 sind hingegen dann an der gegenüberliegenden Unterseite 12 ausgebildet. Die Bauhöhe der gesamten Anordnung wird hierdurch insgesamt zwar etwas erhöht, liegt trotz allem aber nach wie vor noch deutlich unterhalb der Bauhöhen bisheriger Lösungen zum Realisieren lichtemittierender Anordnungen.
Figur 2 zeigt im Übrigen auch, dass die Verwendung eines Glassubstrats 10 als Abdeckung der Anordnung 100 nicht zwingend erforderlich ist. Sofern die Anordnung im späteren Einsatz durch andere Maßnahmen ausreichend geschützt ist, kann auf das Glassubstrat 10 ggf. auch verzichtet werden.
Bei der in Figur 3 dargestellten Variante, die hinsichtlich der Anordnung der LEDs 20 und der weiteren elektronischen Komponenten 25, 30, 35 der Variante von Figur 2 gleicht, ist an der Oberseite der LEDs 20 sowie der Treiber 25 wiederum ein
Glassubstrat 50 vorgesehen. Dieses dient nunmehr allerdings nicht nur dem Schutz der entsprechenden Komponenten, sondern wird gleichzeitig auch als Primäroptik genutzt. Dies wird dadurch erreicht, dass an der Außenfläche des Glassubstrats 50
lichtbrechende Strukturen zur Beeinflussung des von den zugehörigen LEDs 20 abgegebenen Lichts vorgesehen sind. Im vorliegenden Fall sind die Strukturen in Form von Linsen 55 ausgebildet, wobei ggf. die Oberfläche des Glassubstrats 50, die also die Lichtabstrahlfläche der lichtemittierenden Anordnung 100 bildet, ggf. auch anders strukturiert sein könnte. Denkbar wäre bspw. auch die Ausbildung von
Prismenstrukturen, Streustrukturen oder dergleichen. Die Nutzung der Abdeckung 50 als Primäroptik ist selbstverständlich auch bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 denkbar.
Die Varianten der Figuren 4 und 5 entsprechen denjenigen der Figuren 2 und 3, wobei nunmehr allerdings zusätzlich auch die Unterseite der lichtemittierenden Anordnung 100 geschützt ist. Dies wird durch den Einsatz eines zusätzlichen Gehäuses 60 ermöglicht, welches aus einer Bodenfläche 61 und einem umlaufenden Rand 62 besteht, sodass der Wafer 10 mit den daran ausgebildeten Komponenten in das Gehäuse 60 eingesetzt werden kann.
Auch bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind an der Oberfläche des Glassubstrats 50 den LEDs 20 zugeordnete Primäroptiken 55a bis 55f vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder LED 20 eine unterschiedlich gestaltete Primäroptik 55a bis 55f zugeordnet, die also das Licht der zugeordneten LED 20 jeweils in unterschiedlicher Weise beeinflusst. Je nach gewünschter
Lichtabstrahlcharakteristik, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung 100 insgesamt erzielt werden soll, muss dann also die entsprechend zugeordnete LED 20 aktiviert beziehungsweise betrieben werden, sodass letztendlich die Möglichkeit besteht, variabel die Lichtabstrahlcharakteristik einzustellen. In der Realität ist es sinnvoll, eine begrenzte Anzahl unterschiedlich gestalteter
Primäroptiken zu nutzen und diese dann gleichmäßig verteilt an der Oberfläche des Glassubstrats 50 anzuordnen. Je nach gewünschter Lichtabstrahlcharakteristik muss dann die entsprechende Gruppe von LEDs, die den hierfür geeigneten Primäroptiken zugeordnet sind, aktiviert werden, wobei in diesem Fall dann gleichmäßig über die gesamte Fläche der Anordnung hinweg Licht abgegeben werden kann, dieses jedoch die gewünschte Abstrahlcharakteristik aufweist. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, mehrere LED-Gruppen kombiniert zu betreiben, um dann die
verschiedenen individuellen Lichtabstrahlcharakteristiken der Primäroptiken zu mischen.
Eine weitere Möglichkeit, die Lichtabstrahleigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung 100 während des Betriebs einzustellen, ist in den Figuren 7a und 7b gezeigt. Beide Varianten entsprechen zunächst beispielsweise dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem also ein doppelseitiger Wafer 10 vorgesehen ist, wobei an der den LEDs 20 abgewandten Rückseite weitere elektronische Komponenten 30 und 35 ausgebildet sind. Die nachfolgend beschriebenen Gedanken könnten allerdings in gleicher Weise auch bei einer ungehäusten lichtemittierenden Anordnung zum Einsatz kommen.
Bei der Variante gemäß 7a ist vorgesehen, dass mehrere LEDs 20 zu einem
sogenannten Cluster 80 zusammengefasst sind und diesem Cluster 80 eine
gemeinsame Optik 85, die im dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum in Form einer Linse ausgeführt ist, zugeordnet ist. Die Nutzung des Gehäuses 60 ist in diesem Fall insofern vorteilhaft, als das Gehäuse 60 auch gleichzeitig zur Halterung bzw. Lagerung der Optik 85 genutzt werden kann.
Die LEDs 20 eines Clusters 80 sind individuell steuerbar, wobei sie auf Grund ihrer unterschiedlichen Positionierung in Bezug auf die Optik 85 durch diese Optik 85 jeweils in unterschiedlicher Art und Weise beeinflusst werden. Während also beispielsweise das Licht der mittig angeordneten LED 20 zentral auf die Optik beziehungsweise Linse 85 trifft und dementsprechend durch die Optik 85 derart beeinflusst wird, dass ein im Wesentlichen symmetrisches Lichtbündel abgegeben wird, wird das Licht der eher seitlich angeordneten LEDs 20 in asymmetrischer Weise beeinflusst. Je nachdem, welche LED 20 des Clusters 80 nunmehr aktiviert wird beziehungsweise mit welcher Leistung die verschiedenen LEDs 20 betrieben werden, kann dann insgesamt die sich ergebende Lichtverteilungskurve des Lichts, welches durch das LED-Cluster 80 erzeugt und durch die Optik 85 abgegeben wird, eingestellt werden. Auch in diesem Fall besteht also die Möglichkeit, während des laufenden Betriebs die Lichtverteilungskurve entsprechend anzupassen. Vorzugsweise werden auch in diesem Fall auf dem Wafer 10 insgesamt eine Vielzahl einzelner LED-Cluster 80 mit zugehörigen Optiken 85 vorgesehen sein, die dann wiederum entsprechend eine flächige Lichtabgabe allerdings mit der gewünschten Lichtverteilungskurve erzielen. Die Nutzung der ebenfalls in Figur 7a erkennbaren Primäroptiken 55 führt hierbei zu dem Vorteil, dass das Licht gezielt auf bestimmte Bereiche der Gesamtoptik 85 gerichtet werden kann und dementsprechend die positionsabhängige individuelle Beeinflussung des Lichts stärker ausfällt.
Bei der Variante gemäß Figur 7b sind ebenfalls mehrere LEDs 20 zu einem Cluster 80 zusammengefasst, wobei die Lichtabgabe des Clusters 80 wiederum durch eine dem Cluster zugeordnete Gesamtoptik 85 beeinflusst wird. Insbesondere ist bei der Variante gemäß Figur 7b allerdings vorgesehen, dass in dem Cluster 80 verschieden farbige LEDs 20 zum Einsatz kommen. Durch elektronische Ansteuerung lassen sich dann einzelne oder gewünschte Mischfarben auf Mikroebene erzielen. Insbesondere besteht die Möglichkeit, auf diese Weise weißes Licht ohne den Einsatz entsprechender Farbkonversionsmittel wie beispielsweise Phosphore oder dergleichen zu erzielen. Die sich üblicherweise aus der Handhabung derartiger Phosphore ergebenen Probleme können auf diesem Wege vermieden werden, sodass in besonders eleganter Weise eine Anordnung auf Halbleiterbasis zum Erzeugen eines weißen Lichts realisiert werden kann, wobei darüber hinaus die Möglichkeit besteht, den Farbton beziehungsweise die Farbtemperatur des Lichts entsprechend anzupassen.
Wie in Figur 7b weiterhin erkennbar ist, sind auch hier ebenso wie bei dem Beispiel von Figur 7a die LEDs in unterschiedlicher Weise bezüglich der Gesamtoptik 85 positioniert, sodass deren Licht also wiederum positionsabhängig durch die Optik 85 beeinflusst wird. Sind dementsprechend innerhalb einer erfindungsgemäßen
Anordnung mehrere Cluster 80 vorgesehen, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass in den verschiedenen Clustern 80 die verschiedenfarbigen LEDs 20 wechselweise angeordnet sind, also beispielsweise immer über einen bestimmten Winkel verschoben oder verdreht positioniert sind, sodass die positionsabhängige Beeinflussung des Lichts im Mittel ausgeglichen wird und insgesamt eine homogene Lichtabgabe erzielt wird. Bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind drei LEDs 20 beispielsweise in den Farben rot, grün und blau ausgeführt. Selbstverständlich könnten allerdings auch mehrere Farben zu einem Cluster zusammengefügt sein.
Die Figuren 8 bis 12 zeigen weitere Varianten einer erfindungsgemäßen
lichtemittierenden Anordnung 100. Die Besonderheit der nachfolgend näher beschriebenen Varianten besteht dabei darin, dass der Wafer 10 transparent beziehungsweise zumindest semi-transparent ausgeführt ist. Wafer bestehen an sich bereits aus einem - zumindest für gewisse Wellenlängen - durchsichtigen Material, wobei sie jedoch dann jedoch üblicherweise an einer Oberfläche verspiegelt ausgeführt sind. Diese Spiegelschicht kann dann beispielsweise bei allen bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen dazu genutzt werden, das Licht über eine gewünschte Seite des Wafers 10 auszukoppeln.
Bei den nunmehr beschriebenen Ausführungsbeispielen ist hingegen vorgesehen, dass gezielt auf die Verspiegelung der Oberfläche des Wafers 10 verzichtet wird und dieser dementsprechend lichtdurchlässig ausgeführt ist, derart, dass auch anderes Licht hindurchscheinen kann und eine gewisse Transparenz erzielt wird. Dieser Gedanke ist schematisch in Figur 8 gezeigt, wobei erkennbar ist, dass externes Licht 200 in beiden Richtungen durch die Anordnung 100 hindurchtreten kann. Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich, dass die in dem Wafer 10 aufgebauten lichtemittierenden
Halbleiterelemente 20 sowie die weiteren elektronischen Komponenten, hier die Treiber 25, derart positioniert werden, dass freie Zwischenbereiche verbleiben, die einen Lichtdurchtritt ermöglichen. Bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 8 ist hierzu vorgesehen, dass die Treiber 25 unterhalb der zugehörigen LEDs 20 ausgeführt sind. Um eine gezielte Lichtabgabe zur Oberseite hin zu unterstützen, ist darüber hinaus vorgesehen, dass zwischen den LEDs 20 und den zugehörigen Treibern 25 jeweils ein Spiegel 22 beziehungsweise eine spiegelnde Schicht ausgebildet ist. Diese
individuellen Spiegel 22 ersetzen nunmehr also die Gesamtverspiegelung des Wafers 10 an dessen Außenseite, wodurch letztendlich in den Zwischenbereichen die
Transparenz der Anordnung 100 erzielt wird.
Eine alternative Variante zu der Ausfuhrungsform gemäß Figur 8 ist in Figur 9 gezeigt. Auch hier sind die LEDs 20 und die zugehörigen Treiber 25 derart positioniert, dass Zwischenräume verbleiben, die einen Durchtritt des externen Lichts 200 ermöglichen. Die Positionierung der Treiber 25 erfolgt nunmehr allerdings seitlich zu den LEDs 20, sodass deren Licht wie dargestellt die Anordnung 100 über beide Flachseiten verlassen kann. Mit Hilfe der in Figur 9 dargestellten Ausführungsform kann also eine kombinierte Beleuchtung für eine direkte Lichtabgabe und indirekte Lichtabgabe erzielt werden. Das externe Licht 200 kann dabei nicht nur in den Zwischenräumen durch die Anordnung 100 hindurchtreten sondern auch im Bereich des LEDs20, das diese ebenfalls für zumindest Licht bestimmter Wellenlängen durchlässig sind. Bei der Variante gemäß Figur 10 ist eine Anordnung der LEDs 20 sowie der zugehörigen Treiber 25 in gleicher Weise wie bei der Variante gemäß Figur 9 vorgesehen. Nunmehr sind allerdings wiederum zumindest einigen LEDs 20 individuelle Spiegel bzw. spiegelnde Schichten 22 zugeordnet, die allerdings teilweise an der Unterseite sowie in anderen Fällen wiederum an der Oberseite der LEDs 20 angeordnet sind. Wie erkennbar ist, wird durch die Anordnung und Positionierung der Spiegel 22 festgelegt, in welche Richtung das Licht der zugehörigen LED 20 abgegeben wird. Durch entsprechendes Ansteuern der jeweiligen LEDs 20 kann also das Verhältnis des Lichts, welches einerseits zur Oberseite hin sowie andererseits zur Unterseite hin abgegeben wird, eingestellt werden.
Figur 11 zeigt eine Variante, bei der wiederum eine eher flächige Anordnung der LEDs 20 sowie der zugehörigen Treiber 25 vorgesehen ist. Trotz allem ist auch hier grundsätzlich der Wafer 10 transparent gestaltet und ein Durchtritt von externem Licht 200 wird dadurch ermöglicht, dass das Licht durch die Bereiche hindurchtreten kann, in denen die LEDs 20 ausgebildet sind. Hier wird also gezielt der Umstand genutzt, dass das externe Licht 200 auch durch das LED-Halbleitermaterial hindurchtreten kann. Um die Richtung der Lichtabgabe einzelner LEDs 20 festlegen zu können, ist im vorliegenden Fall vorgesehen, dass an der Außenfläche der Anordnung 100 optische Strukturen 90 vorgesehen sind, die das Licht reflektieren oder in vergleichbarer Weise wie bei der bekannten LCD-Technik abschatten. Diese Strukturen 90 können also insbesondere steuerbar ausgeführt sein, um die Richtung der entsprechenden
Lichtabgabe in gewünschter Weise anpassen zu können.
Die bislang erwähnten Spiegel 22 müssen dabei nicht lediglich an der Oberseite oder Unterseite einer zugehörigen LED 20 ausgeführt sein. Wie beispielsweise die Variante in Figur 12 zeigt, kann darüber hinaus auch vorgesehen sein, dass seitlich einer LED 20 ein entsprechender Spiegel 22 ausgebildet ist. Dies eröffnet wie gezeigt die Möglichkeit, gezielt Licht seitlich auszukoppeln und über eine Stirnseite der
Anordnung 100 abzugeben. Hierdurch kann eine insgesamt transparent erscheinende Anordnung erzielt werden, die trotz allem über den gesamten Umgang hinweg eine Lichtabgabe ermöglicht.
Figur 12 zeigt schließlich schematisch in Aufsicht eine weitere Variante einer erfmdungs gemäßen Anordnung 100. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass auf den nunmehr rechteckig ausgeführten Wafer 10 nicht nur die entsprechenden LEDs 20 und die zugehörige Treiberelektronik 25 ausgebildet ist, sondern zusätzlich auch alle weiteren Komponenten, durch die ein intelligentes System zum Betreiben der LEDs geschaffen wird. Es ist also eine klassische CPU-Prozessoreinheit 70 vorgesehen, die neben entsprechenden Rechen-Kernen auch Speicher- bzw. Cachespeichereinheiten, einen Systemkontroller sowie ein I/O-Interface aufweist. Diese Einheit 70 stellt den zentralen intelligenten Bestandteil der gesamten Anordnung dar 100, über welche eine Kommunikation mit externen Komponenten sowie eine geeignete Ansteuerung der Treiber 25 mit den zugehörigen LEDs 20 vorgenommen wird. Weiterhin können separat zu der CPU-Einheit 70 auch zusätzliche Speicherelemente 75 und die elektronischen Komponenten eines Interfaces 35 vorgesehen sein. Über dieses erfolgt dann die Kommunikation mit externen separaten Einheiten, wobei dies sowohl drahtgebunden (bspw. in Form eines USB-Anschlusses) als auch drahtlos (bspw. mittels WiFi) erfolgen kann. Derartige Anschlüsse sowie Anschlüsse für eine
Stromversorgung sind dann in geeigneter Weise an dem Wafer 10 angeordnet. Anzumerken ist abschließend, dass zusätzlich zu den dargestellten Beispielen auch noch weitere elektronische Komponenten in erfindungsgemäßer Weise auf dem Wafer realisiert werden könnten. Dies betrifft insbesondere Komponenten einer Sensorik, über die bspw. Informationen über die Umgebungshelligkeit und/oder die Anwesenheit von Personen in einem zu beleuchtenden Bereich erhalten werden können. Auch hier kann in erfindungsgemäßer Weise der Platzbedarf derartiger Sensor-Elemente reduziert werden, indem diese zumindest teilweise integriert mit den LEDs auf dem Wafer ausgebildet sein können.

Claims

Ansprüche
1. Lichtemittierende Anordnung (100), aufweisend ein plattenförmiges Trägerelement in Form eines Wafers (10) sowie zumindest ein auf dem Wafer (10) ausgebildetes lichtemittierendes Halbleiterelement (20),
dadurch gekennzeichnet,
dass auf dem Wafer (10) zumindest eine weitere elektronische Komponente ausgebildet ist, welche Bestandteil einer Treiberelektronik (25) zum Betreiben des lichtemittierenden Halbleiterelements (20), einer intelligenten Schaltung (30, 70) zum Ansteuern des lichtemittierenden Halbleiterelements (20), einer Speicher-Komponente (75), einer Interface-Komponente (35) und/oder eines Sensorelements ist.
2. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Teil der weiteren elektronischen Komponente auf der gleichen Oberfläche des Wafers (10) ausgebildet ist, auf der auch das lichtemittierende Halbleiterelement (20) positioniert ist.
3. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein weiterer Teil der elektronischen Komponente auf der dem lichtemittierenden Halbleiterelement (20) gegenüberliegenden Seite des Wafers (10) ausgebildet ist.
4. Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wafer (10) einen erhöhten Randbereich (13) aufweist, der das
lichtemittierende Halbleiterelement (20) sowie ggf. auf der gleichen Oberfläche des Wafer (10) ausgebildete elektronische Komponenten seitlich umrahmt.
5. Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese ein Glassubstrat (50) aufweist, welche das lichtemittierende
Halbleiterelement (20) sowie ggf. auf der gleichen Oberfläche des Wafers (10) ausgebildete elektronische Komponenten überdeckt.
6. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Glassubstrat (50) zumindest im Bereich des lichtemittierenden
Halbleiterelements (20) lichtbeeinflussende Strukturen aufweist, wobei es sich bei den lichtbeeinflussenden Strukturen vorzugsweise um Linsen (55) handelt.
7. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente (20) aufweist, denen verschiedene lichtbeeinflussende Strukturen (55a-55f) zugeordnet sind, wobei die lichtemittierende Halbleiterelemente (20) vorzugsweise individuell steuerbar sind.
8. Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass dieses mehrere lichtemittierende Halbleiterelemente (20) aufweist, wobei zumindest einige der lichtemittierenden Halbleiterelemente (20) zu einem Cluster (80) zusammengefasst sind, dem gemeinsam ein optisches Element (85) zur Beeinflussung der Lichtabgabe zugeordnet ist, wobei die lichtemittierenden Halbleiterelemente (20) eines Clusters (80) vorzugsweise jeweils individuell steuerbar sind.
9. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die lichtemittierenden Halbleiterelemente (20) eines Clusters (80) in Bezug auf das optische Element (85) unterschiedlich positioniert sind und/oder jeweils Licht einer unterschiedlichen Farbe emittieren.
10. Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese ein Gehäuse (60) aufweist, welches die Unterseite sowie den Umfang des Wafers (10) umrahmt.
11. Lichtemittierende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wafer (10) aus einem zumindest teilweise lichtdurchlässigen Material besteht bzw. zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgeführt ist.
12. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem zumindest einem lichtemittierenden Halbleiterelement (20) ein in dem Wafer (10) ausgebildeter Spiegel bzw. eine spiegelnde Schicht (22) zugeordnet ist, über den/die die Richtung der Lichtabgabe beeinflusst wird.
13. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Oberfläche das Wafers (10) optische Elemente oder Strukturen (90) ausgebildet sind, über welche die Richtung der Lichtabgabe des lichtemittierenden Halbleiterelements (20) beeinflusst wird.
14 Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wafer (10) aus Silizium oder Gallium-Nitrit besteht.
15. Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus dem Wafer (10) eine Vielzahl von lichtemittierenden Halbleiterelementen (20) ausgebildet ist.
16. Lichtemittierende Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die lichtemittierenden Halbleiterelemente (20) gleichmäßig versteilt, insbesondere in einem Raster verteilt positioniert sind.
17. Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Wafer (10) zusätzliche passive elektronische Bauelemente angeordnet sind.
18. Lichtemittierende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Wafer (10) Anschlusselemente für Versorgungsleitungen oder
Kommunikationsleitungen angeordnet sind.
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