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光电子器件.pdf

  • 上传人:00****42
  • 文档编号:4754088
  • 上传时间:2018-11-06
  • 格式:PDF
  • 页数:22
  • 大小:5.06MB
  • 摘要
    申请专利号:

    CN201180037026.8

    申请日:

    2011.07.22

    公开号:

    CN103038880A

    公开日:

    2013.04.10

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 25/075申请日:20110722|||公开

    IPC分类号:

    H01L25/075; H01L33/50; H01L33/58

    主分类号:

    H01L25/075

    申请人:

    欧司朗光电半导体有限公司

    发明人:

    亚历山大·林科夫; 拉尔夫·维尔特

    地址:

    德国雷根斯堡

    优先权:

    2010.07.26 DE 102010038396.1

    专利代理机构:

    北京集佳知识产权代理有限公司 11227

    代理人:

    张春水;田军锋

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    内容摘要

    本发明涉及一种光电子器件(1),其用于特别是在远场中混合具有不同波长的电磁辐射。所述光电子器件(1)包括载体(2)。在所述载体(2)上设有至少一个第一半导体芯片(3),所述第一半导体芯片(3)具有第一辐射出射面(13),以用于发射在第一光谱范围(14)中的电磁辐射。在所述载体(2)上设有至少一个第二半导体芯片(4),所述第二半导体芯片(4)具有第二辐射出射面(17),以用于发射在第二光谱范围(15)中的电磁辐射。在所述半导体芯片(3、4)的背离载体(2)的辐射出射面(13、17)上设有散射层(8)。

    权利要求书

    权利要求书光电子器件(1),用于特别是在远场中混合不同波长的电磁辐射,所述光电子器件具有:‑载体(2);‑至少一个设置在所述载体(2)上的第一半导体芯片(3),所述第一半导体芯片(3)具有第一辐射出射面(13),以用于发射在第一光谱范围中的电磁辐射(14);‑至少一个设置在所述载体(2)上的第二半导体芯片(4),所述第二半导体芯片(4)具有第二辐射出射面(17),以用于发射在第二光谱范围中的电磁辐射(15);‑其中,在所述半导体芯片(3、4)的背离所述载体(2)的所述辐射出射面(13、17)上设有散射层(8)。根据权利要求1所述的光电子器件,其中,在所述半导体芯片(3、4)的背离所述载体(2)的所述辐射出射面(13、17)和所述散射层(8)之间设有转换层(7)。根据权利要求1或2所述的光电子器件,其中,所述第一半导体芯片(3)构造为AlGaInP半导体芯片,所述AlGaInP半导体芯片发射在红光光谱范围和/或黄光光谱范围中的电磁辐射。根据上述权利要求之一所述的光电子器件,其中,所述第二半导体芯片(4)构造为InGaN半导体芯片,所述InGaN半导体芯片发射在蓝光光谱范围和/或绿光光谱范围中的电磁辐射。根据上述权利要求之一所述的光电子器件,其中,所述第一半导体芯片(3)和所述第二半导体芯片(4)被浇注在唯一的浇注件中,特别是以平坦的体积浇注的形式来进行浇注。根据权利要求2至5之一所述的光电子器件,其中,在所述转换层(7)中,设有磷光材料(11),特别是钇铝镓石榴石或镥铝石榴石作为转换剂,所述磷光材料(11)具有5重量百分比至25重量百分比的浓度。根据上述权利要求之一所述的光电子器件,其中,在所述散射层(8)中设有散射颗粒(12),特别是二氧化铝,二氧化硅或二氧化钛作为散射剂,所述散射颗粒的浓度为0.05重量百分比至50重量百分比。根据权利要求2至7之一所述的光电子器件,其中,在所述转换层(7)中,在所述第一半导体芯片(3)之上设置有特别是具有“芯片上的透镜”(18)的形式的、透明的浇注材料(22)。根据权利要求2至7之一所述的光电子器件,其中,在所述转换层(7)中,在所述第一半导体芯片(3)之上设置有模制玻璃(19a)或硅酮小板(19b)。根据上述权利要求之一所述的光电子器件,其中,在所述散射层(8)的朝向所述载体(2)的侧上设有自由混光层(10),所述自由混光层尤其不具有散射剂和转换剂。根据上述权利要求之一所述的光电子器件,其中,以反射率大于95%的、填充有二氧化钛的硅酮来浇注所述半导体芯片(3、4)直至所述半导体芯片的有源层的高度。根据上述权利要求之一所述的光电子器件,其中,所述散射层(8)具有透镜的形状。根据上述权利要求之一所述的光电子器件,其中,设有侧反射壁(5),所述侧反射壁(5)安置在所述载体(2)上。发光装置(100),具有根据上述权利要求之一所述的光电子器件(1),其中,所述光电子器件(1)耦联到具有反射器(101)的形式的次级光学系统上。根据权利要求14所述的发光装置,其中,所述反射器(101)至少局部地具有抛物线的形状。

    说明书

    说明书光电子器件
    技术领域
    本发明涉及一种用于混合不同波长的电磁辐射的光电子器件。
    背景技术
    为了产生来自不同半导体芯片的电磁辐射的混合光,迄今为止所使用的是光箱。借助于光箱仅能产生具有强度的相对窄的角分布的远场。提供在其输出面上就已经最大程度混合的光的光电子器件尤其不是已知的。
    发明内容
    本发明的目的在于,提供一种具有半导体芯片的光电子器件,所述半导体芯片发射在不同光谱范围中的电磁辐射,所述光电子器件提供在其输出面上就已经最大程度混合的光。
    所述目的通过根据独立权利要求1所述的光电子器件且通过根据独立权利要求14所述的发光装置得以实现。
    在从属权利要求中说明了光电子器件的改进方案和有利的设计方案。
    示例的实施形式
    不同的实施形式具有用于特别是在远场中混合具有不同波长的电磁辐射的光电子器件。
    在载体上设有带有第一辐射出射面的第一半导体芯片。所述第一半导体芯片发射在第一光谱范围中的电磁辐射。在载体上设有带有第二辐射出射面的第二半导体芯片。所述第二半导体芯片发射在第二光谱范围中的电磁辐射。在半导体芯片的背离载体的辐射出射面上设有散射层。这是有利的,因为由于散射层,由不同的半导体芯片所发射出的电磁辐射的混合在光电子器件的平面上就已经进行。
    换句话说,本发明的中心思想是,散射层位于半导体芯片平面之上,所述散射层散射并且部分地反射可能已经直接耦合输出的光。这显然违背了本领域技术人员的在辐射出射面上提供尽可能高的透明度的原本的努力。在这里示出的解决方案中提出一种尽可能少吸收地成型的载体,在所述载体上安装有半导体芯片,以便减少通过半导体芯片和/或载体的光的吸收。因此散射层主要有助于充分混合由半导体芯片发射的辐射。尽管有散射,但辐射仅最低限度地被吸收,并且来自于光电子器件的很大一部分(充分混合的)辐射被耦合输出。散射颗粒作用为光学混合元素。
    在一个优选的实施形式中,半导体芯片基于III‑V‑化合物半导体材料。所述半导体芯片具有至少一个发射电磁辐射的有源区。所述有源区能够是PN结、双异质结构、多量子阱结构(MQW)、单量子阱结构(SQW)。量子阱结构意味着:量子阱(三维),量子线(二维)和量子点(一维)。
    在一个优选的实施形式中,在半导体芯片的背离载体的辐射出射面和散射层之间设有转换层。所述转换层优选将短波电磁辐射转换为长波电磁辐射。因为所述转换层设置在半导体芯片和散射层之间,所以产生了另一辐射份额,所述另一辐射份额在散射层中与其它辐射份额充分混合。由此实现了已发射的辐射的光谱的扩大。
    在一个优选的实施形式中,第一半导体芯片构造为AlGaInP半导体芯片。AlGaInP半导体芯片发射在红光光谱范围和/或黄光光谱范围中的电磁辐射。AlGaInP半导体芯片与蓝光发射的半导体芯片的组合的使用是特别有利的,蓝光发射的半导体芯片的光谱通过转换剂部分地转换到黄光光谱范围中。在这样的组合中,能够通过AlGaInP半导体芯片产生暖白色的色彩印象。
    在一个优选的实施形式中,第二半导体芯片构造为InGaN半导体芯片。InGaN半导体芯片发射在蓝光光谱范围和/或绿光光谱范围中的电磁辐射。用于发射在蓝光光谱范围中的辐射的InGaN半导体芯片的使用是特别有利的,以便借助于转换剂产生白光。
    优选能够设有多个AlGaInP半导体芯片和/或InGaN半导体芯片。这是特别有利的,因为由此能够实现高的光输出功率。
    在一个优选的实施形式中,AlGaInP半导体芯片设置在光电子器件的中央。InGaN半导体芯片能够围绕AlGaInP半导体芯片环形地和/或以均匀的芯片密度设置。这是有利的,因为由此能够实现均匀的亮度。
    在一个优选的实施形式中,第一半导体芯片和第二半导体芯片被浇注在唯一的浇注件中,特别是以平坦的体积浇注的形式来进行浇注。所述半导体芯片设置在一个平面中。这是有利的,因为由此能够实现半导体芯片在载体上的高的充填密度。特别是能够使用硅酮、环氧树脂或混合材料作为浇注材料。
    在一个优选的实施形式中,在转换层中设有磷光材料作为转换剂。磷光材料优选是由钇铝镓石榴石和/或镥铝石榴石构成的发光材料颗粒。在均匀分布的情况下,所述磷光材料在转换层中具有5重量百分比至25重量百分比的浓度。使用上述磷光体是特别有利的,因为所述磷光体能够将在蓝光光谱范围中的光有效地转换为在绿光至黄光光谱范围中的光。
    在一个优选的实施形式中,在散射层中设有散射颗粒作为散射剂。优选使用具有0.05重量百分比至50重量百分比的浓度的二氧化铝,二氧化硅或者二氧化钛。所述颗粒均匀地反射可见光范围中的辐射。这是特别有利的,因为散射颗粒弹性地散射入射光,并且有助于将具有不同波长的光充分混合。特别是,所述散射颗粒不因对一些波长的吸收而造成对色彩印象的扭曲。
    在一个优选的实施形式中,在第一半导体芯片上的转换层具有透明的浇注材料。这种透明的浇注材料能够以所谓的“芯片上的透镜(Lense on chip)”的形式施加到第一半导体芯片上。“芯片上的透镜”是透明的浇注材料的滴状物,所述滴状物在施加到第一半导体芯片上后固化。在第一半导体芯片上的透明的浇注材料是特别有利的,因为由此阻碍了光被在第一半导体芯片上的转换层中的磷光材料所不希望的吸收。如果第一半导体芯片是AlGaInP半导体芯片,那么红光能够在没有吸收损耗的情况下穿过转换层。
    在一个优选的实施形式中,在第一半导体芯片上的、特别是在AlGaInP半导体芯片上的转换层具有模制玻璃或硅酮小板。这是特别有利的,因为由此阻碍了红光被在AlGaInP半导体芯片上的转换层中的磷光材料所不希望的吸收。
    在一个优选的实施形式中,在散射层的朝向载体的侧上设有自由混光层,所述自由混光层不具有散射剂和转换剂。这是特别有利的,因为光在射到散射层上之前就已经能够至少部分地充分混合。自由混光层具有硅酮,环氧树脂或者混合材料。
    在一个优选的实施形式中,将半导体芯片构造为表面发射器,特别是薄膜芯片。以反射率大于95%的、填充有二氧化钛(TiO2)的硅酮来浇注半导体芯片直至所述半导体芯片的有源层的高度。替选地,也能够用ZrO2、Al2O3或者ZnO来填充硅酮。使用高反射率填充的硅酮是特别有利的,因为由此防止了通过载体的露出区域的吸收损耗。替选地,朝向半导体芯片的载体面能够用反射层,特别是由银构成的反射层进行覆层,这同样减少了吸收损耗。
    在一个优选的实施形式中,散射层具有透镜的形状。这是特别有利的,因为与具有均匀厚度的散射层,意即不具有透镜形状的散射层相比,产生更宽广的辐射特性。换句话说,更多的光以更大的角,优选在大于60度的角的情况下,特别优选以大于90度的角离开光电子器件。光电子器件辐射出光的角度越大,设置在下游的反射器就能够越有效地沿向前的方向辐射出混合光。
    在一个优选的实施形式中,设有侧反射壁,所述侧反射壁安置在载体上。一方面,所述壁是有利的,因为其在浇注半导体芯片时用作为侧边界。另一方面,所述壁能够被设计为高反射的,并且由此在朝向光电子器件的光输出面的方向上反射更多的由半导体芯片发射的电磁辐射。侧壁能够垂直于载体。替选地,侧壁能够倾斜于载体。这能够是有利的,因为由此能够在朝向光电子器件的光输出面的方向上反射更多的光。通过倾斜的壁能够实现更大的光直径,或者换句话说,能够实现更大的光输出面。
    不同的实施形式具有发光装置,所述发光装置具有光电子器件和次级光学系统。优选的是,所述次级光学系统是反射器。这是特别有利的,因为通过设置在下游的反射器能够特别简单地且有效地沿向前的方向辐射在光电子器件中混合的光。
    在一个优选的实施形式中,反射器至少局部地具有抛物线的形状。这种反射器形状是特别有利的,因为由此能够沿向前的方向辐射光电子器件所辐射出的混合的光的大部分。
    附图说明
    下面借助于附图详细阐述依照本发明的解决方案的不同的实施例。
    图1示出穿过光电子器件的剖面图;
    图1a示出图1中的光电子器件的辐射曲线;
    图2示出穿过光电子器件的剖面图;
    图3示出穿过光电子器件的剖面图;
    图4示出穿过光电子器件的剖面图;
    图5示出穿过光电子器件的剖面图;
    图6示出穿过光电子器件的剖面图;
    图6a示出图6中的光电子器件的辐射曲线;
    图7示出穿过光电子器件的剖面图;
    图8示出穿过光电子器件的剖面图;
    图9示出光电子器件的不同实施形式的与角度相关的强度分布。
    图10示出穿过发光装置的剖面图。
    具体实施形式
    在附图中,相同的、同类的或起相同作用的元件设有相同的附图标记。附图和在附图中所示出的元件彼此间的尺寸比例不视为是按比例的。相反,为了更好的可示出性和更好的理解,能够过大地示出各个元件。
    图1示出穿过光电子器件1的剖视图。所述光电子器件1用于特别是在远场中混合具有不同波长的电磁辐射。在载体2上设有第一半导体芯片3,所述第一半导体芯片具有第一辐射出射面13,以用于发射在第一光谱范围14中的电磁辐射。在载体2上设有另两个半导体芯片4,所述另两个半导体芯片具有第二辐射出射面17,以用于发射在第二光谱范围15中的电磁辐射。半导体芯片3、4位于一个平面中,即半导体芯片平面6。所述半导体芯片平面6的高度在0.05mm和0.3mm之间,优选约0.2mm。在半导体芯片3、4的背离载体2的辐射出射面13、17上设有散射层8。在散射层8中,在浇注材料23中设有散射颗粒12,特别是具有0.05重量百分比至50重量百分比的浓度的二氧化铝、二氧化硅或者二氧化钛作为散射剂。散射层8的高度相当于在第一半导体芯片3和第二半导体芯片4之间的平均横向间距。在具有1mm2面积的半导体芯片中,散射层8的高度优选在1mm和8mm之间,特别优选为2mm。所述半导体芯片设计为表面发射器,特别是设计为薄膜芯片。第一半导体芯片3构造为AlGaInP半导体芯片,所述AlGaInP半导体芯片发射在红光光谱范围和/或黄光光谱范围中的电磁辐射。第二半导体芯片4构造为InGaN半导体芯片,所述InGaN半导体芯片发射在蓝光光谱范围和/或绿光光谱范围中的电磁辐射。在半导体芯片3、4的背离载体2的辐射出射面13、17和散射层8之间设置有转换层7。所述转换层7将在蓝光光谱范围15中的电磁辐射转换为在绿光至黄光光谱范围中的电磁辐射。转换层7优选具有在0.1mm和0.8mm之间的,特别优选为0.3mm的高度。作为转换剂设有磷光材料11,特别是由钇铝镓石榴石和/或镥铝石榴石构成的发光材料颗粒。在均匀分布的情况下,转换剂11在浇注材料22中具有5重量百分比到25重量百分比的浓度。InGaAlP半导体芯片和InGaN半导体芯片3、4被浇注在唯一的浇注件中,特别是以平坦的体积浇注的形式来进行浇注。以填充有二氧化钛的硅酮16侧向浇注半导体芯片3、4直至所述半导体芯片的有源层的高度。填充有二氧化钛的硅酮的反射率能够大于95%。设有侧反射壁5,所述侧反射壁5垂直于载体2地安置。在一个未示出的替选方案中,侧壁5倾斜于载体2,并且与载体2成不等于90度的角。光直径9,也就是光输出面的横向延展能够位于3mm和50mm之间。典型地,光直径9位于10mm和20mm之间。在要求保护的本实施例中,光通量在1000流明和4000流明之间变化。
    图1a示意性地示出属于图1中的光电子器件的辐射曲线图。所述光电子器件具有朗伯特(Lambertsch)辐射曲线20。在不同的空间方向上的辐射强度与辐射角的余弦成正比。这意味着,在从法线(0度)偏转60度的情况下,光强度衰减到最大值的50%,并且在90度的情况下,衰减到0%。“半峰全宽(full width at half maximum)”为120度,即从‑60度至+60度。
    在图2所示出的实施例中,与图1相比,磷光材料11不均匀地分布在转换层7中。磷光材料11以小板的形式存在,所述小板设置在InGaN半导体芯片4的辐射出射面17上。所述小板至少局部地嵌入浇注材料22中。在InGaAlP半导体芯片3的辐射出射面13上不设有磷光材料11。因此由AlGaInP半导体芯片3发射的红光不在转换层7中被吸收。此外,对图1的说明也适用于图2。
    与图1相比,图3示出一个实施例,其中磷光材料11是不均匀地分布的。在图1所示出的实施例中,通过在AlGaInP半导体芯片3上的发光材料颗粒11通过散射和/或吸收而损失红光的一定百分比的光强度。为了减少这种效应,在图3所示出的实施例中,将透明的浇注材料的滴状物18施加到InGaAlP半导体芯片3的辐射出射面13上。这也称为芯片上的透镜(LOC)。此外,对图1的说明也适用于图3。
    与图1相比,图4示出一个实施例,其中磷光材料11不均匀地分布。为了减少散射和/或吸收,将模制玻璃19a或硅酮小板(19b施加到InGaAlP半导体芯片3的辐射出射面13上。模制玻璃19a和硅酮小板19b能够伸入散射层。由此实现了在InGaAlP半导体芯片3上完全不存在发光材料颗粒11。此外,对图1的说明也适用于图4。
    图5示出一个实施例,其中在散射层8朝向载体2的侧上设有自由混光层10。所述自由混光层10不具有散射颗粒12和磷光材料11。自由混光层10的厚度在散射层8和自由混光层10的总厚度的20%和98%之间,优选为50%。因此,散射层8并不涉及在转换层7的上方的整个体积,而是位于上混光区域中。通过电磁辐射在自由混光层10中的自由传播,由半导体芯片发射的光在射到散射层8上之前就已经部分地混合。此外,对图1的说明也适用于图5。
    与图5相比,图6示出一个实施例,其中散射层8具有透镜的形状。所述散射层与侧壁5齐平。散射层在侧壁之间的中部具有其最大厚度。换句话说,在中心处设有最大数量的散射颗粒。在自由混光层10中自由传播之后,半导体芯片3、4所发射的光射到散射颗粒12上。这导致下述辐射分布,所述辐射分布在其角分布方面比朗伯特分布更宽。此外,对图5的说明也适用于图6。
    图6a示意性地示出属于图6中的光电子器件的辐射曲线21。转换层7的透镜形状决定了下述辐射曲线21,所述辐射曲线21在角分布方面比朗伯特辐射曲线20更宽。对于大于约60度的角而言,非朗伯特辐射曲线21显示出比朗伯特辐射曲线更高的强度。此外,与朗伯辐射曲线20相比,对于大于90度的辐射角而言,非朗伯特辐射曲线21具有非零的强度。
    与图6相比,图7示出一个实施例,其中在具有透镜形状的散射层8和转换层7之间不设有自由混光层10。辐射曲线21相当于图6a中的辐射曲线。自由混光层10不是强制性需要的。但是必须使用更多散射颗粒12,以便实现如图6的实施例中一样的色彩混合质量。这导致了更低的效率。此外,对图6的说明也适用于图7。
    图8示出类似于图2的一个实施例,在此实施例中,磷光材料11不均匀地分布在转换层7中。磷光材料11以小板的形式存在,所述小板设置在InGaN半导体芯片4的辐射出射面17上。在InGaAlP半导体芯片3的辐射出射面13上不设有磷光材料11。由AlGaInP半导体芯片3发射的光在转换层7中不被吸收。与图2相比,散射层8具有透镜的形状。所述散射层与侧壁5齐平。散射层在侧壁之间的中部具有其最大厚度。换句话说,在中部设有最多数量的散射颗粒12。
    图9示出图1、2、3、4、5、6、7和8的模拟辐射曲线。图1、2、3、4和5的实施例的辐射曲线在模拟中是一致的。所述辐射曲线分别显示为朗伯特辐射曲线20。特别是在90度时,强度衰减到零。图6、7和8的实施例的辐射曲线在模拟中是一致的。所述辐射曲线分别显示为辐射曲线21,其在角分布方面比朗伯特辐射曲线20更宽。特别是在90度时,强度是在0度时的最大强度的约10%。在约110度时强度才衰减到0。
    图10示出具有光电子器件1的发光装置100。光电子器件1耦联到具有反射器101的形式的次级光学系统上。由光电子器件发射的混合光102由反射器101沿向前的方向反射。光电子器件1发射光的角度越大,被反射器101沿向前的方向反射的混合光103的强度就越高。反射器101至少能够局部地具有抛物线的形状。光电子器件1位于抛物线的焦点104的平面中。抛物线的最小值缺失。换句话说,反射器101仅具有抛物线的侧壁。反射器101与光电子器件1齐平。
    根据几个实施例对光电子器件进行了说明,以用于图解说明基本思想。在此,实施例不局限于特定的特征组合。即使当某些特征和设计方案仅结合特殊的实施例或者各个实施例来说明时,所述特征和设计方案也能够分别与其它实施例中的其它特征组合。同样可设想的是,在实施例中省略或添加所示出的各个特征或特殊的设计方案,只要保持实现通用技术原理。
    附图标记列表
    1   光电子器件
    2   载体
    3   第一半导体芯片
    4   第二半导体芯片
    5   侧壁
    6   半导体芯片平面
    7   转换层
    8   散射层
    9   光直径
    10  自由混光层
    11  磷光材料,特别是发光材料颗粒
    12  散射颗粒
    13  第一辐射出射面
    14  在第一光谱范围中的电磁辐射
    15  在第二光谱范围中的电磁辐射
    16  侧向浇注,填充有二氧化钛的硅酮
    17  第二辐射出射面
    18  芯片上的透镜(=透明的浇注材料的滴状物)
    19a 模制玻璃
    19b 硅酮小板
    20  朗伯特辐射体的示意性辐射曲线
    21  比朗伯特辐射体的辐射曲线更宽的示意性辐射曲线
    22  浇注材料,转换层
    23  浇注材料,散射层
    100 发光装置
    101 反射器
    102 由光电子器件发射的混合光
    103 由反射器反射的混合光
    104 至少局部地呈抛物线形的反射器的焦点

    关 键  词:
    光电子 器件
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