专利名称：光源及生产光源的方法
光源及生产光源的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有通过排列两种用于感应发光的适当半导体材料而构成的 至少一个pn结的光源。此外，本发明还涉及一种生产此类光源的方法。
实践中已知光源及制造这些光源的方法，且有不同的变化。例如，这些光源 被称为冷光灯，特别是发光二极管(LED)。
这些LED自20世纪70年代起己有制造及销售。这些LED是其作用方法主
要基于光生成电子-空穴重组的半导体组件，这一重组从电子施主态跃迁至能量位 于该半导体的能带边沿附近的导带与价带之间的带隙中的电子受主态。发光通过电
流流动(称为馈电电流)来感应，然后其电子-空穴对被分离，该电子被提升至较 高能级且随着发光而回落至较低能级并与空穴重组。在这一过程中，不利之处在于 仅生成较窄光波频带或单色光。公知的LED的发光范围在近红外与近紫外之间。
公知的LED通过以分层方式，例如通过具有尖锐公共界面的外延生长连接两 种不同地掺杂的半导体材料而构成。半导体元素或IV-IV族或III-IV族元素的半导 体化合物是公知的，例如，带有碲、硅、锗、锑、氧或硒作为n掺杂原子或电子施 主原子，或者带有锂、镁、镍、铬、铁、铜、锡、镉、锰或锗作为p掺杂原子或电 子受主原子的磷化镓、磷砷化镓、磷化铟镓、砷化铝镓或氮化镓。该半导体二极管 的光生成耗尽层或pn结在自由电子的扩散长度内形成于这一尖锐界面周围。该半 导体层被放置于用作冷却元件的固体支撑物上，例如石英晶片或蓝宝石晶片上。该 半导体层从底部及顶部起成三明治状地涂覆有对应于不同的几何形状的金属电极 层，该电极层一般由金构成。这种类型的结构被称为芯片。这种构造很复杂且缺点 是制造成本比卤素灯高很多。为了产生相对较大的光量需要很高的激励电流密度。 据此，该导体横截面及芯片尺寸须保持尽可能小。所以，先前的LED为点光源。 这又妨碍了芯片的散热，而散热对于避免由LED的热感应杂质扩散或平均热破坏 造成的LED寿命的显著下降是必要的。因此，在公知的LED芯片结构中，问题在 于与卤素灯相比只能生成较少量的光。
因此，本发明的基本任务在于提供一种光源及生产前述种类光源的方法，根 据该光源和方法可以用简单设计手段来获得特大的光量。
上述任务根据本发明通过具有权利要求1的特征的光源来解决。依照此特征，
对前述种类的光源进行配置及修改，从而使至少一种半导体材料以颗粒形式存在。 根据本发明，首先认为无需制造中所需的复杂芯片结构也可以生产上述种类 的光源。为此，将至少一种半导体材料亦以根据本发明的方式形成为颗粒。换言之， 可从个别的颗粒构造该光源，其中耗尽层由通常不同惨杂的半导体材料的两个颗粒
的接触表面产生。每两个不同掺杂的半导体材料的颗粒可在接触位置形成pn结或 发光耗尽层。所使用的半导体材料仅需具有能够生成光生成二极管跃迁或pn结的 特性。根据本发明的光源可由多个此类颗粒及所产生的pn结构造，由此可获得多 个发光区域。于是，该设计较之现有的芯片结构明显简化。
因此，提供了一种具有根据本发明的光源的光源，根据该光源可以用简单的 设计手段获得特大的光量。
具体地，该颗粒可以晶粒、颗粒和/或微粒的形式存在。这并不是小元件的最 终列表。相反，若非特别限定，颗粒总是被理解为是指任意形状及强度的元件。因 此，不仅包括发光的、高度对称的元件，如球体、四面体、立方体或多面体，或者 具光滑表面的大体积非对称元件，例如马铃薯形元件，还包括在其范围的一个或多 个方向上比另一个或其他方向长很多且对称的元件，如针、薄盘、针星(needle star) 或叶星(leafstar)，或者非常不对称的元件，如纤维或纤维结(fiber tangle)。这 些元件可具有简单的相干表面，因此其在构想的边界处理中可收縮为点，或者这些 元件可以是非简单的相干表面，其在构想的边界处理中仅收縮为线。这可以是短管 或长管或一般是具有可任选的若干个或者甚至许多环带/或孔的环面。这些元件或 颗粒或晶粒也可如藻类矿物骨架或冰晶那样形态奇异。
为实现对不同半导体颗粒或晶粒的接触表面的良好形成，作为代替，可选择 不同的颗粒或晶粒形状及不同的颗粒或晶粒尺寸。多边形元件或颗粒，或者具光滑 表面或破碎表面的元件或颗粒显示出对于产生pn结的良好结果是特别有利的，其 中平坦的多边形表面或平坦的破碎表面可相互抵靠。所选择的晶粒或元件尺寸会影
响将不同半导体晶粒或元件适当地相互沉积以形成发光耗尽层的统计概率和统计 频率。该晶粒或元件形状以及晶粒或元件尺寸的选择影响在半导体材料上的有效电
流路径截面的形成以及随之的光产生。
除了先前所使用的半导体材料，不同形式(例如以纳米管的形式)的碳由于 取决于其模式也可作为半导体而也是适用的。具体地，半导体材料之一可以是碳，
其中该碳较佳地以纳米管的形式存在。
本发明提供了一种可由多个晶粒构造的光源。随后，可将这些颗粒混合在
起以形成若干个尘状、粉状、粒状或悬浮状的pn结。将这些成分尽可能均匀地混 合则更有利。最后，在该生产方法中，只有适当的半导体材料必须进行混合。
在使用悬浮物期间，必须注意该悬浮液不会弄湿半导体耗尽层表面以及因此
而阻碍pn结的形成。为此，所使用的悬浮物可由基本可完全蒸发的溶剂制得。然
而，该种溶剂不应溶解该半导体材料。
使用已具有pn结的颗粒特别有利。特别是在使用悬浮物期间，可防止弄湿半 导体颗粒或半导体晶粒从而阻碍形成该pn结。换言之，在此使用在混合前已经作 为具有pn结的二极管颗粒或二极管晶粒存在的颗粒或晶粒。
为了制备该种二极管颗粒或二极管晶粒，这些已具有pn结的颗粒或晶粒可至 少在具有适当半导体材料的区域中进行特别简单的涂覆。换言之，这些二极管颗粒 或二极管晶粒可已在先前的制造步骤中产生，在该制造步骤中该半导体颗粒或半导 体晶粒可以用第二适当的半导体材料或用第二不同掺杂的半导体材料来涂覆。通过气相或溶液沉积的涂覆可以特别简单地进行。然后仅部分地，即仅在部 分表面的区域中涂覆该需涂覆的半导体颗粒或晶粒。
作为代替，也可产生所需半导体材料的宏观的多层，然后使这些多层成为粒 状或粉状以产生适当的二极管颗粒或二极管晶粒。换言之，该已具有pn结的颗粒 可以作为从该适当半导体材料层结构或多层中产生的颗粒状粉末。在这些粒状物、 粉状物或尘状物中，已经有非常高的概率存在具有pn耗尽层的适当晶粒或颗粒。
为制备特别稳定的光源，可将该尘状物、粉状物、或粒状物或者悬浮物置于 一支撑物上。为此，可在该支撑物上放置粘合剂或粘合层以保证该尘状物、粉状物、 或粒状物或者悬浮物的良好粘合。在这两种情况下，将粉状混合物或悬浮物或者二 极管块简单地放在该支撑物上即可。
作为已设置有粘合剂或粘合层的支撑物的代替，可将该尘状物、粉状物、或 粒状物或者悬浮物与粘合剂混合。这样就无需在该支撑物上涂粘合剂或粘合层。在 每一种情况下，该尘状物、粉状物、或粒状物或者悬浮物都可牢固地粘至该支撑物。
对于该光源的导电率的可靠保持，该粘合剂可以是导电物质。因此可有利地 使用导电聚合物作为粘合剂。
对于该光源的特别简单的布局，该支撑物可具有适当的电触点以保证对该光 源的供电。该电触点可以用非常简单的方式由金属箔形成，较佳的是涂在或粘在该 支撑物上的金箔。作为对此的代替，该电触点可以用另一简单的方式由印刷在该支 撑物上的金属颜料涂层或由从溶液沉积的金属或蒸镀在该支撑物上的金属来形成。
为了对该光源稳定供电，该支撑物可由不导电或导电不良的材料构成。对于 在该光源的工作期间所发出热量的良好散热，该支撑物可由良导热材料构成。因此， 由石英、蓝宝石或金刚石构成的该支撑物能起到特别良好的作用。
在另一有利实施例中，对于特别稳定的光源，该支撑物可被设计为管状且可 将该颗粒置入该支撑物中，这种情况下，该电触点较佳地置于该支撑物的端部。换 言之，在此管状支撑物以颗粒填充。
原则上，该支撑物可以是已设计的单晶或多晶。这提供了这一单晶或多晶支 撑物本身已具有p掺杂或n掺杂，且因此可构成半导体材料之一的优点。换言之， 其中支撑物用作半导体材料之一且所放置的颗粒可有不同的适当掺杂作为第二半
导体材料的光源是有利的。若支撑物为p掺杂的，则颗粒为n掺杂的，反之亦然。
在另一特别稳定的光源中，支撑物可由用于将该颗粒呈三明治状封围的两个 元件形成。换言之，该颗粒可由该支撑物的两个平坦元件呈三明治状地封围。因此 在此变型中，可以已经存在其中所封围的颗粒因而具有不同的适当掺杂的对支撑物 元件的掺杂。
原则上，在己掺杂的支撑物中，形成适当pn结的概率大于仅使用两种半导体 材料的颗粒的概率。
也可通过上述方法将该颗粒设置在已掺杂支撑物中。因此，简单地将颗粒粘 合或将颗粒烧结至该支撑物都可以起作用。
该支撑物可通过深冲压而适当地成为适于个别构造要求的形状。在此对不同 需求的几何形状作简单调整是可行的。这对支撑物的简单结构及三明治结构俱适 用。
在已沉积或已蒸镀的金属触点中，在每两个接触条或电极条之间可施加规定 电压，这产生流经置于两个相邻电极间的该半导体颗粒或半导体晶粒的必需的馈电 电流。
为了调整穿过该半导体颗粒排列的电流路径的适当电阻条件，可将该尘状物、 粉状物、或粒状物或者悬浮物与导电材料混合。以特别简单的方式，该导电材料可 以是粉末态或液态的聚合物材料，或者是石墨或者金属粒或粉或者金属悬浮物。因 此可由另一适当的半导体材料来形成该导电材料。
在从微观来看极小的所选择的颗粒或晶粒尺度中，所生成的光的绝大部分在 该光生成LED层内被再次吸收。为了消除此缺陷，可将导光材料与该尘状物、粉 状物、或粒状物或者悬浮物混合。以特别简单的方式，该导光材料可具有玻璃颗粒
或导光塑料。这一导光材料可以按粉末或液体的形式(例如作为溶液或悬浮物)添 加到该颗粒混合物中以支持LED表面上的光导效应。
简言之，在根据本发明的光源中，可生成其中加入或混入了所需及适当的半 导体材料、粘合剂、电导剂、光导剂及/或热导剂的尘状物、粉状物、或粒状物或 者悬浮物的混合物。
为了制备具有特别有利的点火性能的光源，可对该半导体材料进行选择，使 得可产生具有不同发光波长的不同颗粒对。换言之，通过在根据本发明的光源中使 用或组合不同的半导体材料和/或不同的掺杂，可生成具有不同发光波长的不同的
微观半导体颗粒对或半导体晶粒对或不同的基本LED。因此，本发明或该二极管
块可发出重叠颜色，并且在极大量的极小半导体颗粒对或基本二极管的极限情况下 可产生并且甚至可发出连续光谱。因此，本发明允许形成具有自然连续光谱的亮
LED且与先前的白色LED相比具有更高的能效。
为了实现机械上特别稳定的光源，可通过烧结将该支撑物上的颗粒互相紧靠 地排列。然后可生成几乎多晶的结构。原则上，多晶压制可导致从颗粒形成固体。
在另一有利的具体实施例中，可将该光源插入白炽灯泡或卤素灯泡中以代替 蚀刻线灯丝。换言之，该光源可代替普通灯丝。在另一实施例中，甚至可将该光源 设计为荧光管。
上述任务也可通过一种用于产生光源，特别是根据权利要求1至37中任一项 所述的光源的方法来解决。该光源具有通过排列两种用于感应发光的适当半导体材 料而构成的至少一个pn结，且该光源的特征在于半导体材料的至少其中之一是以 颗粒形式来使用的。
对于根据本发明的方法的特别优点及特性，为避免重复请参见前文的说明， 其与所要求保护的光源一起已描述了相似或相同的特点。
以特别有利的方式，可将颗粒混合在一起以形成若干个尘状、粉状、或粒状 或者悬浮状的pn结。然后可使用已具有pn结的颗粒。
通过至少在具有适当半导体材料的区域中进行涂覆也可有利地制造该已具有 pn结的颗粒。
作为代替，该已具有pn结的颗粒可以是从该适当半导体材料层结构或多层产 生的粒状物或粉状物。
为了实现该特别的光源，可将该尘状物、粉状物、或粒状物或者悬浮物置入 一载体中。此外，可对半导体材料进行选择，使得可生成具有不同发光波长的不同
颗粒对。例如，据此可生产白色LED。
为了实现特别稳定的光源，可通过烧结将该支撑物上的颗粒互相紧靠地设置， 其中可生成一种几乎为多晶的结构。
原则上，根据本发明的光源的生产是非常简单的。仅所需且适当的材料需要 以粉状或悬浮状混合，其后仅仅将该二极管块放置在设有电极的支撑物上即可。电 极例如可以按印刷法的形式，通过浸渍浴或通过喷涂来施加。该生产方法不需要非
常复杂或昂贵的生产工艺或生产成本，与常见LED芯片的生产相当。可将颗粒混 合物或二极管块放置在平坦的和弯曲的、极大的和极小表面的支撑物或者表面上。 因此，本发明确保具有可随意规定的发光空间角度、具有可随意规定的发光面积并 且具有可随意调整的光谱的冷光元件、光源或灯。
本发明的另一种生产方法可通过烧结二极管块或颗粒混合物来提供。可生成 具有规定形状(如薄板或薄膜、细杆或细线或者薄管)的无支撑物的固体光源或冷 光元件。为进行照明，仅需在其端部上设置电触点以界定电流迹线。然后可根据电 流迹线长度以及具有颗粒混合物的二极管块的可调特定电阻来任意地设置需要的 馈电电压。因此，本发明允许二极管光源直接在110伏或230伏AC下工作。因此， 可以用二极管灯丝来有利地代替白炽灯或卤素灯的钨灯丝，或者以二极管灯管来有 利地代替荧光管。
对本发明所教导的内容进行有利的配置及修改具有多种可能性。为此， 一方 面参见从属权利要求，另一方面参见下文根据本发明的光源的实例的说明以及附 图。结合根据本发明的光源的较佳实例的说明以及附图，也从总体上解释了所教导 内容的较佳实施例及修改。
图1至图5示意性地示出了根据本发明的光源的实例。
图1示意性地示出了根据本发明的光源的一个实例，它具有通过排列两种用 于感应发光的适当半导体材料1及2而构成的至少一个pn结3。对于以简单设计 手段获得特大的光量，半导体材料1及2以颗粒形式存在。这样就可以将多个由该 适当半导体材料1及2的颗粒混合，在这种情况下，可在该颗粒的接触位置形成适 当的pn结3。
将半导体材料1及2的颗粒放置于支撑物4上以形成稳定光源。为了光源的 电接触，将电触点5及6放置于支撑物4。电触点5及6是通过放置于接触部4的 金属箔形成的。该支撑物本身由非导电材料构成，具体来说为石英。
图2示意性地示出了根据本发明的光源的另一实例，其中支撑物4被设计为
管状，且用用作半导体材料1及2的颗粒填充以形成pn结3。可在管状支撑部4
的端部以适当方式形成电接触。
图3示意性地示出了根据本发明的光源的第三实例，其中半导体材料1之一 同时用作支撑部，且由n掺杂的单晶或多晶材料构成。p掺杂的材料2由颗粒形成。 在支撑部4与颗粒的介面处形成pn结3。 一方面，可通过与金属箔7连接的电触 点5形成电接触，另一方面，可通过与支撑部4连接的电触点6形成电接触。
图4示意性地示出了根据本发明的光源的第四实例，其中，在此的半导体材 料1及2由支撑部4以及置于该支撑部4的两个元件间的颗粒构成。该颗粒呈三明 治状地夹置于平坦支撑部元件4之间。
图5示意性地示出了根据本发明的光源的第五实例，它具有该光源的成形区 域。图5所示的实例与图4所示的实例类似地设计，但在图5的实例中，支撑部4 没有掺杂，而是仅用作形成为颗粒状的半导体材料1及2的封围。
为避免重复，对于根据本发明的光源及生产根据本发明的光源的其他有利实 施例，请参见本说明书的通用部分及所附权利要求书。
最后，需明确指出的是，上文所描述之实施例仅用于解释所要求保护的本发 明所教导的内容，而绝非将其限于这些实施例。
权利要求
1.一种具有通过排列两种用于感应发光的适当半导体材料(1、2)而构成的至少一个pn结(3)的光源，其特征在于，所述半导体材料(1、2)中的至少其中一种以颗粒形式存在。
2. 如权利要求l所述的光源，其特征在于，所述颗粒以晶粒、颗粒和/或微粒 的形式存在。
3. 如权利要求1或2所述的光源，其特征在于，所述颗粒为多边形元件或具 有光滑表面或破碎表面的元件。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的光源，其特征在于，所述半导体材料(1、 2)之一为碳。
5. 如权利要求4所述的光源，其特征在于，所述碳以纳米管形式存在。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的光源，其特征在于，所述颗粒被混合在 一起以形成若干个尘状物、粉状物、粒状物或者悬浮物形式的pn结(3)。
7. 如权利要求6所述的光源，其特征在于，所述悬浮物从基本完全蒸发的溶 剂中产生。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的光源，其特征在于，可使用已具有pn 结(3)的颗粒。
9. 如权利要求8所述的光源，其特征在于，所述已具有pn结(3)的颗粒至 少在具有适当半导体材料(1、 2)的区域中被涂覆。
10. 如权利要求9所述的光源，其特征在于，所述涂覆通过气相及溶液沉积 来进行。
11. 如权利要求8所述的光源，其特征在于，所述已具有pn结(3)的颗粒 作为来自所述适当半导体材料(1、 2)的层结构或多层的粒状物或粉状物存在。
12. 如权利要求6至11中任一项所述的光源，其特征在于，所述尘状物、粉 状物、粒状物或者悬浮物被设置于一支撑物(4)上。
13. 如权利要求12所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4)上设置有粘 合剂或粘合层。
14. 如权利要求6至13中任一项所述的光源，其特征在于，所述尘状物、粉 状物、粒状物或者悬浮物与粘合剂混合。
15. 如权利要求13或14所述的光源，其特征在于，所述粘合剂是导电物质。
16. 如权利要求13至15中任一项所述的光源，其特征在于，所述粘合剂是 导电聚合物。
17. 如权利要求12至16中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 具有适当的电触点(5、 6)。
18. 如权利要求17所述的光源，其特征在于，所述电触点(5、 6)由金属箔， 较佳地是涂在或粘在所述支撑物(4)上的金箔形成。
19. 如权利要求17或18所述的光源，其特征在于，所述电触点(5、 6)由 印刷在所述支撑物(4)上的金属颜料或由从溶液沉积在支撑物(4)上的金属或蒸 镀金属形成。
20. 如权利要求12至19中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 由不导电或导电不良材料构成。
21. 如权利要求12至20中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 由良导热材料构成。
22. 如权利要求12至21中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 由石英、蓝宝石或金刚石构成。
23. 如权利要求12至22中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 被设计为管状，并且所述颗粒被置于所述支撑物(4)内，其中电触点(5、 6)较 佳地置于所述支撑物(4)的端部。
24. 如权利要求12至23中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 被设计为单 晶。
25. 如权利要求12至23中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 被设计为多晶。
26. 如权利要求12至25中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 为p掺杂或n掺杂，且由此形成所述半导体材料(1、 2)之一。
27. 如权利要求12至26中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 由所述颗粒的三明治状封围的两个元件构成。
28. 如权利要求12至27中任一项所述的光源，其特征在于，所述颗粒通过 烧结被置于支撑物(4)上。
29. 如权利要求12至28中任一项所述的光源，其特征在于，所述支撑物(4) 通过深冲压来适当地形成。
30. 如权利要求6至29中任一项所述的光源，其特征在于，所述尘状物、粉 状物、粒状物或者悬浮物与导电材料混合。
31. 如权利要求30所述的光源，其特征在于，所述导电材料为粉态或液态聚 合物材料或者石墨或者金属粒或粉或者金属悬浮物。
32. 如权利要求6至31中任一项所述的光源，其特征在于， 一导光材料与所 述尘状物、粉状物、粒状物或者悬浮物混合。
33. 如权利要求32所述的光源，其特征在于，所述导光材料具有玻璃颗粒或 导光塑料。
34. 如权利要求1至33中任一项所述的光源，其特征在于，选择所述半导体 材料(1、 2)以使得可产生具有不同发光波长的不同颗粒对。
35. 如权利要求1至34中任一项所述的光源，其特征在于，所述颗粒通过烧 结被互相紧靠地排列。
36. 如权利要求1至35中任一项所述的光源，其特征在于，所述光源用于白 炽灯或卤素灯以代替发热灯丝。
37. 如权利要求1至35中任一项所述的光源，其特征在于，所述光源被设计 为荧光管状。
38. —种生产光源的方法，特别是如权利要求1至37中任一项所述的、具有 通过排列两种用于感应发光的适当半导体材料(1、 2)而构成的至少一个pn结(3) 的光源，其特征在于，所述半导体材料(1、 2)中的至少一种以颗粒形式来使用。
39. 如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述用于形成若干个pn结(3) 的颗粒以尘状物、粉状物、粒状物或者悬浮物的形式混合在一起。
40. 如权利要求38或39所述的方法，其特征在于，使用已具有pn结(3) 的颗粒。
41. 如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述已具有pn结(3)的颗粒 通过至少在具有适当半导体材料(1、 2)的区域中进行涂覆而产生。
42. 如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述已具有pn结(3)的颗粒 作为来自所述适当半导体材料(1 、 2)的层结构或多层中的粒状物或粉状物而产生。
43. 如权利要求39至42中任一项所述的方法，其特征在于，所述尘状物、 粉状物、粒状物或者悬浮物被设置于一支撑物(4)上。
44. 如权利要求38至43中任一项所述的方法，其特征在于，选择所述半导 体材料(1、 2)以使得可产生具有不同发光波长的不同颗粒对。
45. 如权利要求38至44中任一项所述的方法，其特征在于，所述颗粒通过 烧结被互相紧靠地排列。
全文摘要
本发明涉及一种包括通过排列两种用于感应发光的适当半导体材料(1、2)而构成的至少一个pn结(3)的光源。所述光源以这样一种方式来实现及改良，即该半导体材料(1、2)中的至少一种为颗粒形式，以产生特大的光量。本发明还涉及一种生产这种类型光源的方法。
文档编号H01L51/54GK101103471SQ200580043044
公开日2008年1月9日 申请日期2005年10月17日 优先权日2004年10月17日
发明者A·迪洛, 约尔格·阿诺尔德 申请人:Ip2H股份公司