光电组件

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一种光电组件，包括：半导体本体(3)，其在光电组件操作时发出第一波长的电磁辐射；以及各别的光学元件(9)，其在发射方向中配置在半导体本体(3)之後且与半导体本体(3)相隔开。此光学元件(9)包含至少一第一波长转换材料(10)，其将第一波长的辐射转换成一种与第一波长不同的第二波长之辐射。 An optoelectronic component is provided, it includes a semiconductor body (3), which emits electromagnetic radiation of a first wavelength during the operation of the optoelectronic component; and a separate optical element (9), which is arranged and separated after the semiconductor body (3) as viewed in the radiation direction of the semiconductor body (3). The optical element (9) has at least one first wavelength conversion material (10), which converts the radiation of the first wavelength into radiation of a second wavelength that is different from the first wavelength. [创作特点] 本发明的目的是提供一种具有波长转换材料之光电组件，其具有高的效率。本发明的另一目的是提供一种具有波长转换材料的光电组件，其具有高的效率且同时具有良好的彩色再生性。; 上述目的藉由具有申请专利范围第1项特徵的光电组件来达成。光电组件之有利的其它形式描述在申请专利范围第2至25项中。; 高效率的光电组件特别是包含：－一种半导体本体，其在光电组件操作时发出第一波长的电磁辐射，以及－一分开的光学元件，其在半导体本体的发射方向中配置在半导体本体之後且相隔开，其中此光学元件包含至少一第一波长转换材料，其使第一波长的辐射转换成一种与第一波长不同的第二波长。; 上述的”相隔开”之意义特别是指：光学元件以一预定的方式在空间中与半导体本体相隔开而配置着，其中在半导体本体和光学元件之间形成一确定的中间区，此中间区未具备上述之波长转换材料。; 由於第一波长转换材料由光学元件所围绕，则第一波长转换材料亦与产生辐射的半导体本体相隔开而配置着。相较於另一种光电组件而言，其中第一波长转换材料直接邻接於发出辐射的半导体本体且特别是直接邻接於半导体本体的发出辐射的前侧而配置着，例如，配置在半导体本体的封罩中或配置在一种层中，则此光电组件之效率可有利地提高。此外，特别有利的是将该波长转换材料安装在该光学元件中，此光学元件用来形成射束且基本上可决定此光电组件之发射特性，此乃因这样通常可达成一种不只是高的－而且亦特别均匀的发射特性。; 在一特别有利的实施形式中，该波长转换材料包含微粒且该光学元件包含一种原质(matrix)材料，其中可埋置着微粒。由於由半导体本体所发出的辐射以及由波长转换材料所转换的辐射通常会在微粒上发生散射且由於波长转换材料可在任意方向中发出辐射，则一种包含微粒的波长转换材料通常可使此光电组件之发射特性的均匀性提高。此外，以特定的几何形式使第一波长转换材料之微粒与半导体本体相隔开而配置在一种相分开的光学元件中时所具有的优点是：由於微粒上的散射而转向回到半导体本体中－且在该处被吸收的辐射(特别是波长已转换的辐射)较波长转换材料包含在一种直接与半导体本体相邻的波长转换元件(例如，一种层或封罩)中时还少。; 在一种较佳的实施形式中，第一波长来自紫外线，蓝色光及/或绿色光谱区。由於波长转换材料通常将将辐射转换成波长较长的辐射，则由可见光谱区和紫外线光谱区之短波长末端所形成的波长特别适合与各种波长转换材料一起使用。; 发出紫外线，蓝色－及/或绿色辐射之半导体本体较佳是包含一种活性之层序列，其适合用来发出各别的光谱区之电磁辐射且由一种以氮化物或磷化物为主之化合物半导体材料所构成。; 此处，”以氮化物为主之化合物半导体材料”之意义是：该活性的层序列或其至少一部份包含一种氮化物－III－化合物半导体材料，较佳是Aln Gam In1－n－m N, 其中0≦n≦1, 0≦m≦1且n＋m≦1。於此，此材料未必含有上述形式之以数学所表示之准确的组成。反之，其可具有一种或多种掺杂物质以及其它成份，这些成份不会改变此Aln Gam In1－n－m N－材料之物理特性。然而，为了简单之故，上述形式只含有晶格(Al, Ga, In, N)之主要成份，这些主要成份之一部份亦可由小量的其它物质来取代。; 此处，”以磷化物为主之化合物半导体材料”之意义是：该活性的层序列或其至少一部份包含一种磷化物－III－化合物半导体材料，较佳是Aln Gam In1－n－m P，其中0≦n≦1, 0≦m≦1且n＋m≦1。於此，此材料未必含有上述形式之以数学所表示之准确的组成。反之，其可具有一种或多种掺杂物质以及其它成份，这些成份不会改变此Aln Gam In1－n－m P－材料之物理特性。然而，为了简单之故，上述形式只含有晶格(Al, Ga, In, P)之主要成份，这些主要成份之一部份亦可由小量的其它物质来取代。; 半导体本体之活性的层序列例如以磊晶方式生长而成且较佳是包含一种传统之pn－接面，一种双异质结构，一种单一量子井结构(SQW－结构)或特别有利的是包含一种多量子井结构(MQW－结构)以产生辐射。此名称量子井结构此处未指出量子化的维度。因此，量子井结构可另外包含量子槽，量子线和量子点以及这些结构的每一种组合。; 例如，可使用发光二极体晶片(简称为”LED－晶片)或薄膜－发光二极体晶片(简称为薄膜－LED－晶片)以作为半导体本体。然而，其它产生辐射用的半导体本体(例如，雷射二极体)亦适用於上述的组件中。; 薄膜－发光二极体晶片之特徵特别是以下各特徵中的至少一种：－在辐射产生用的磊晶层序列之面向一载体元件之第一主面上施加一种反射层，其使磊晶层序列中所产生的电磁辐射的至少一部份反射回到该磊晶层序列中；－此磊晶层序列所具有的厚度是在20微米或更小的范围中，特别是在10微米的范围中。; 此外，磊晶层序列较佳是具有至少一种半导体层，其至少一面有一混合结构。在理想状况下，此混合结构可使磊晶层序列中的光达成一种近似遍坜(ergodic)之分布，即，该光具有一种尽可能遍坜之随机杂散特性。; 薄膜发光二极体晶片之基本原理例如已描述在文件I.Schnitzer et al., Appl.Phys.Lett.63(16), 18.October 1993, page 2174－2176中，其已揭示的内容藉由参考而并入此处。; 薄膜发光二极体晶片是一种很近似蓝伯德(Lambertic)之表面辐射器且特别适合用在光学系统中。; 若第一波长来自可见的光谱区中，则此组件较佳是发出多彩色的混合辐射，其包含第一波长的辐射和第二波长的辐射。此处，此概念”多彩色的混合辐射”是指一种特殊的混合辐射，其包含不同彩色的辐射。此混合辐射之彩色位置位於CIE－正规彩色图表之白色区域中时特别有利。藉由选取该波长转换材料之浓度以制成多个组件，其彩色位置可在广大的范围中调整。; 使用一种可发出蓝色光谱区的辐射之半导体本体且与一种将蓝色辐射转换成黄色辐射所用的波长转换材料相结合时特别有利。以此方式可制成一种光电组件，其可发出一种混合彩色，其彩色位置位於CIE－正规彩色图表之白色区域中。; 然而，若该半导体本体只发出不可见的辐射，例如，紫外线，则须力图使此辐射尽可能完全转换，此乃因此一辐射对此组件的亮度没有助益。若该辐射是短波长的辐射(例如，紫外线)，则甚至会使人类的眼睛受损。由於此一原因，此种组件中较佳是设置各种措施，其可使此组件不会发出短波长的辐射。这些措施例如可以是各种吸收微粒或反射元件，其在半导体本体的发射方向中配置在第一波长转换材料之後且吸收该不期望的短波长之辐射或使此辐射反射回到波长转换材料中。; 此处须指出，如以下仍将详述者，在该半导体本体只发出不可见之辐射的情况下，一种组件仍可发出多彩色的混合辐射。於此，使用至少二种不同的波长转换材料。若该半导体本体只发出不可见的辐射，则本实施形式相对於该不可见的辐射只转换成第二波长而言特别有利。若此组件包含多个波长转换材料，则上述可使该组件不会发出短波长的辐射所用的措施较佳是在半导体本体之发射方向中配置在全部的波长转换材料之後。; 在光电组件之一较佳的实施形式中，半导体本体设有一种封罩，其可透过该组件所发出的辐射。此半导体本体可配置在组件外壳之一凹口中。另一方式是此半导体本体亦可安装在电路板上或安装在一电路板之冷却元件上。该封罩一方面是用来保护该半导体本体，另一方面须配置此封罩，使此封罩填入该光学元件和该半导体本体之间且因此可使半导体本体至光学元件之辐射路径上的折射率跳跃值下降，因此，由於界面上的反射所造成的辐射损耗可有利地下降。; 该封罩较佳是含有一种原质材料，其包含矽树脂材料，环氧化物材料，混合材料或折射率已调整的材料。所谓折射率已调整的材料是指一种材料，其折射率介於相邻的材料之折射率之间，此处是指此折射率介於半导体本体之折射率和光学元件之材料的折射率之间的一种材料。; 在光电组件之另一较佳的实施形式中，该封罩包含至少一种与第一波长转换材料不同的第二波长转换材料。第二波长转换材料将第一波长的辐射转换成一种与第一波长，第二波长都不同的第三波长，使此组件发出第二波长、第三波长之混合辐射且情况需要时发出第一波长的辐射。; 藉由第一波长转换材料和第二波长转换材料在空间中相隔开而配置着，则特别是可使由一种波长转换材料所转换的辐射被另一波长转换材料所吸收之量下降。此种”被吸收”之危险性特别是在其中一种波长转换材料将该辐射转换成一种接近另一波长转换材料之激发波长时会发生。二种波长转换材料之上述配置方式以及在空间中相隔开时可使该组件的效率提高，色调的均匀性亦可提高且在大量制造时各参数的可再生性亦可提高。; 此外，一种只发出由紫外线所构成之不可见的辐射的半导体本体特别适用於本实施形式中。在此种情况下，由半导体本体所发出的辐射之一部份由封罩中的第二波长转换材料转换成第三波长的辐射。半导体本体所发出的辐射的其它部份未被转换而经过该封罩且藉由该光学元件中之第一波长转换材料而转换成第二波长的辐射，使此组件发出一种由第二－和第三波长之辐射所构成的多彩色之混合辐射。; 本实施形式中，第二波长转换材料较佳是包含微粒，其埋置於该封罩的原质材料中。; 此外，本实施形式中该半导体本体和该二种波长转换材料须互相调整，使第一波长的辐射来自蓝色光谱区，且第二波长转换材料使蓝色辐射的一部份转换成红色辐射，第一波长转换材料使其余的蓝色辐射之剩下的部份转换成绿色辐射，此组件因此可发出具有红、绿、蓝成份之白色的混合辐射。藉由各波长转换材料之调整，则此白色之混合辐射之彩色位置可特别良好地调整至所期望的值。; 在另一有利的实施形式中，在封罩和光学元件之间配置一种耦合层，其包含一种折射率已调整的材料，其折射率介於该封罩之折射率和该光学元件之原质材料之折射率之间，以便由於界面上的反射而使辐射损耗下降。又，此耦合层亦可用来机械式地连接该封罩和光学元件。; 封罩中除了第二波长转换材料之外，亦可在半导体本体上施加一种波长转换层，其包含至少一种与第一－和第二波长转换材料不同的第三波长转换材料。第三波长转换材料较佳是将第一波长之辐射转换成第四波长的辐射，使此组件可发出第三，第四，第二和第一波长的混合辐射。; 除了封罩中的第二波长转换材料之外，若在该半导体本体上使用波长转换层，则半导体本体和该二种波长转换材料又须互相调整，使第一波长的辐射来自蓝色光谱区，第三波长转换材料使此辐射的一部份转换成红色辐射，且第一波长转换材料使残留的辐射的一部份转换成绿色辐射，此组件因此发出具有红色，绿色和蓝色成份的混合辐射。; 如上所述，波长转换层未必配置在半导体本体上。反之，波长转换层亦可配置在该封罩和光学元件之间。此外，此组件不只具有一种波长转换层且亦具有多个波长转换层，其较佳是分别具有不同的波长转换材料。; 除了封罩中的第二波长转换材料之外，若使用波长转换层，使整体上至少有三种不同的波长转换材料使用在该组件中，则此时较佳是使用一种半导体本体，其发出紫外线光谱区中的不可见的辐射。此半导体本体之不可见的辐射然後较佳是藉由半导体本体上的波长转换层之第三波长转换材料而转换成红色光谱区之辐射。由半导体本体所发出的不可见之辐射的其它部份未经转换即通过该波长转换层且该封罩中第二波长转换材料之未转换的辐射的其它部份转换成绿色光谱区之辐射。不可见的辐射之其它部份又未经转换地经过该封罩。不可见的辐射之最後的部份未经转换地经过该封罩且较佳是完全转换成蓝色的辐射，使此组件发出一种由红色，绿色和蓝色之光谱区所组成的混合辐射，其彩色位置是在CIE－正规彩色图表之白色区域中。依据此混合辐射所期望的彩色位置，其它光谱区亦可行。; 在一较佳的实施形式中，波长转换层的厚度是定值者，此乃因该辐射的路径长度在波长转换层的内部中都相同。这样可有利地使光电组件之色调均匀化。; 若该组件包含一种具有第三波长转换材料之波长转换层，则此波长转换层较佳是又可包含一种原质材料且第三波长转换材料包含微粒，微粒埋置在原质材料中。; 波长转换层之原质材料通常具有一种可硬化的透明聚合物，例如，环氧化物，丙烯酸脂，聚醯亚胺，聚胺脂或具有氯之聚合物，例如，聚氯化酚或由上述一种材料所构成的物质。此外，上述材料之混合物以及矽树脂和混合材料适合用作原质材料。通常，含有聚矽氧烷链之聚合物适合用作原质材料。; 在使用多种空间中互相隔开而配置的波长转换材料时，这些材料较佳是配置成使此波长(其是由各别之波长转换材料之第一波长之辐射转换而成的波长)由半导体本体观看时在半导体本体的发射方向中分别较另一波长(其是就半导体晶片之发射方向而言位於更前方之波长转换材料将第一波长之辐射转换而成的波长)还短。因此，已转换的辐射可特别有效地不会被一在半导体晶片之发射方向中随後所配置的波长转换材料所吸收。; 第一，第二和第三波长转换材料例如可由以下各种材料所形成的基(group)中选取：以稀土金属来掺杂的石榴石，以稀土金属来掺杂的硷土硫化物，以稀土金属来掺杂的硫镓酸盐，以稀土金属来掺杂的铝酸盐，以稀土金属来掺杂的正矽酸盐，以稀土金属来掺杂的氯矽酸盐，以稀土金属来掺杂的硷土矽氮化物，以稀土金属来掺杂的氧氮化物以及以稀土金属来掺杂的铝氧氮化物。; 使用以铈来掺杂的YAG－波长转换材料(YAG：Ce)作为第一，第二或第三波长转换材料时特别有利。; 光学元件较佳是一种透镜，特别是一种凸透镜。此光学元件以所期望的方式来形成该光电组件的发射特性。於此，使用球形的透镜或非球形的透镜。此外，亦可使用其它辐射成形用的光学元件，例如，一种整体，平截头棱锥体或截锥体形式者或依据组合式抛物面聚光器(CPC－Compound Parabolic Concentrator)，组合式椭圆面聚光器(CEC－Compound Elliptic Concentrator)，组合式双曲面聚光器之形式来形成。; 光学元件包含由以下的材料所形成的基所构成的材料以作为波长转换材料之微粒用的原质材料：玻璃，PMMA, PC, COC，矽树脂和PMMI。; 特别有利的是使各别的波长转换材料均匀地分布在光学元件之原质材料中及/或封罩材料的原质材料中及/或波长转换层之原质材料中。波长转换材料之均匀分布通常可使发射特性很均匀且使光电组件的色调很均匀。; 当然，在原质材料硬化期间由於微粒的沈积，则亦会使微粒在原质材料中的配置稍微不同於理想情况时的均匀分布。; 在一较佳的实施形式中，光学元件之原质材料及/或封罩材料的原质材料及/或波长转换层之原质材料都包含使光散射的微粒。这些微粒可有利地以所期望的方式使发射特性均匀化或影响此组件之光学特性。; 此处须指出，半导体本体通常不会只发出唯一的第一波长之辐射而是发出多种不同的第一波长之辐射，其较佳是包含於一种共同的第一波长范围中。第一，第二或第三波长转换材料使至少一唯一的第一波长的辐射转换成至少一种其它的第二，第三或第四波长的辐射。第一，第二或第三波长转换材料通常将多种第一波长之辐射转换成多种其它的第二，第三或第四波长的辐射，其包含於另一种共同的第二，第三或第四波长范围中。; 本发明以下将依据第1A, 1B，2至6图之五个实施例来描述。