转换小板、具有这种转换小板的发射辐射的器件和用于制造这种转换小板的方法
【专利摘要】本发明提出一种用于发射辐射的半导体器件（10）的转换小板（1），其中转换小板（1）包含由玻璃构成的基本材料（2），在所述基本材料中设置有至少一个开口（3）。在至少一个开口中引入转换材料（4）。此外，本发明提出一种具有这种转换小板（1）的发射辐射的器件（10）。此外，本发明提出一种用于制造这种转换小板（1）的方法。
【专利说明】转换小板、具有这种转换小板的发射辐射的器件和用于制造这种转换小板的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于发射辐射的器件的转换小板。此外，本发明涉及一种具有这种转换小板的发射辐射的器件以及一种用于这种转换小板的制造方法。
【背景技术】
[0002]为了生产发射白光的半导体器件可行的是，将发射蓝色的辐射的半导体芯片用转换层覆盖，所述转换层将蓝光转换为波长更长的光。例如，白光通过蓝色的和黄色的辐射的叠加来产生。在此，转换层的厚度确定了白色的混合辐射的蓝光和黄光的份额。在此，对于特定的所期望的白色色调而言必需的是对转换层厚度的准确的控制。然而，对层厚度的这种控制是困难的并且仅耗费地实现。特别地，对此不利地耗费的分配法是必需的。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是，提出一种转换小板，借助所述转换小板能够产生所期望的白色色调。此外，本发明的目的是，提出一种具有这种转换小板的发射辐射的半导体器件。此外，本发明的目的是，提出一种简化的用于制造这种转换小板的方法。
[0004]所述目的通过具有独立权利要求1的特征的转换小板来实现。此外，所述目的通过具有另一个权利要求的特征的发射辐射的半导体器件以及通过具有并列的权利要求的特征的对这种转换小板的制造方法来实现。转换小板、发射辐射的半导体器件和制造方法的有利的改进方案是从属权利要求的主题。
[0005]根据至少一个实施方式，用于发射辐射的半导体器件的转换小板包含由玻璃构成的基本材料，在所述基本材料中设置有至少一个开口。在至少一个开口中引入转换材料。
[0006]因此，根据本发明，转换小板是玻璃小板，所述玻璃小板仅局部地包含转换材料。转换材料相对于基本材料的相对份额在此调整经过转换的辐射相对于未经转换的辐射的相对份额进而混合辐射的色度坐标。
[0007]在下文中将色度坐标特别理解为如下数值，所述数值描述了所发射的光在CIE色彩空间中的颜色。CIE色彩空间特别是CIE标准色彩系统(ClE-Normvalenzsystem)(也被称为CIE1931)。测量值基于CIE标准色彩系统，所述测量值与普通观察者相关并且能够在CIE标准比色图表中示出。可能的颜色的面积在CIE标准比色图表中在坐标系上描绘，在所述坐标系上能够直接地读取任意颜色的X分量和Y分量。
[0008]具有由玻璃构成的基本材料的转换小板具有如下优点:这种玻璃板能够借助不同的方法、例如作为平面玻璃、以能够非常准确地设定的厚度来制造。此外，在玻璃中能够引入精确的开口或者孔，例如借助于激光辅助的微结构化方法。此外，玻璃是一种非常稳定的基本材料，所述基本材料有利地能够设置有多个开口或者孔，而整体上不会妨碍板的稳定性。此外，玻璃具有不同的折射率和软化温度。这此外允许用于光耦合输出和用于均衡基本材料和转换材料的面积份额的改进可能性。此外，玻璃能够在高温下使用，如所述高温例如对于转换材料的硬化是必需的。
[0009]在本申请中将开口理解为，开口完全地延伸穿过基本材料、特别是穿过整个玻璃厚度。开口因此是基本材料中的孔，在所述孔的区域中没有设置基本材料。基本材料的玻璃厚度因此相应于开口深度或者孔深度。
[0010]根据至少一个实施方式，基本材料至少对于蓝色的波长范围中的辐射是辐射可穿透的。这意味着，基本材料对于蓝色的辐射是最大部分透明的。是最大部分透明的尤其意味着，基本材料至少至80%、优选至90%、尤其优选至95%对于蓝色的辐射是辐射可穿透的、或者是透明的。
[0011]因此，转换小板的特征在于设置有基本材料、对于蓝色的辐射透明的区域以及优选与其相邻的没有设置基本材料、而是设置有转换材料的区域，所述转换材料适合于将一个波长范围的辐射转换为另一个波长范围的辐射。从转换小板射出的辐射因此由穿过基本材料的未经转换的辐射和在转换小板中转换的经过转换的辐射组成。基本材料相对于转换材料的面积比例在此确定经过转换的和未经转换的光的相对份额。所述比例例如在转换小板的辐射出射侧上确定。
[0012]根据至少一个实施方式，转换材料完全地填充至少一个开口。由此，能够实现转换材料的均匀的厚度，所述厚度与玻璃厚度或者基本材料的厚度进而与转换小板厚度相关。转换材料和基本材料在此优选彼此齐平。
[0013]根据至少一个实施方式，将至少一个开口和/或转换材料的大小确定成，使得在开口的区域中能够产生蓝色的波长范围中的辐射的完全转换。也就是说，转换小板厚度或者玻璃厚度能够设定为，使得优选完全地填充至少一个开口的转换材料的厚度刚好为，使得在转换材料中产生蓝色的辐射的完全转换。
[0014]根据至少一个实施方式，至少一个开口具有截锥状的形状。这尤其意味着，至少一个开口沿着玻璃厚度在一个方向上渐缩。开口在此优选具有近似圆形的或者椭圆形的横截面。
[0015]根据至少一个实施方式，基本材料具有比硅树脂高的折射率。转换材料因此能够嵌在与通常所使用的硅树脂相比具有更高的折射率的介质中，这有利地有助于从而改进了例如在上游设置的半导体芯片的光耦合输出或者光耦合输入到转换材料中。此外，由玻璃构成的具有至少一个开口和在其中引入的转换材料的基本材料与在硅树脂的情况下相比能够更好地匹配于例如在上游设置的半导体芯片的热膨胀，这改进了转换小板至半导体芯片的连接的可靠性。
[0016]根据至少一个实施方式，转换材料适合于将蓝色的辐射转换为波长更长的、例如黄色的和/或红色的和/或绿色的辐射。转换材料对此包括至少一种波长转换材料。波长转换材料例如能够以颗粒的形式引入到基体材料中。此外可能的是，波长转换材料特别是作为陶瓷的实心体存在。
[0017]根据一个实施方式，至少一种波长转换材料具有Eu掺杂的和/或La掺杂的波长转换材料。特别地，在Eu激活的和La激活的波长转换材料中已确定了与强度相关的转换效率。
[0018]根据一个实施方式，至少一种波长转换材料是氮化物的波长转换材料。特别地，至少一种波长转换材料能够从基于(Sr，Ca, Ba) 2Si5N8的、基于(Sr，Ca, Ba) SiN3的和基于CaAlSiN的波长转换材料中选择。这种特别是Eu掺杂的、氮化物的波长转换材料优选能够将蓝光转换为红光。
[0019]根据一个实施例，至少一种波长转换材料从正娃酸盐、次氮基-正娃酸盐和娃招氧氮聚合材料中选择。特别地，波长转换材料能够从Eu掺杂的正硅酸盐、Eu掺杂的次氮基-正硅酸盐或者La掺杂的次氮基-正硅酸盐中选择。这种波长转换材料优选能够将蓝光转换为绿光至黄光。
[0020]因此，转换小板优选具有对于蓝色的辐射透明的由玻璃构成的区域和对于蓝色的辐射进行转换的由转换材料构成的区域。从一侧耦合输入到转换小板中的蓝色的辐射因此与相应的区域相关地在未经转换的情况下穿过基本材料并且作为蓝色的辐射从转换小板中耦合输出，或者在转换材料中转换为波长更长的辐射，所述波长更长的辐射随后从转换小板中耦合输出。在此，在转换材料的区域中，优选发生蓝色的辐射的完全转换。因此，转换材料适合于将蓝色的辐射完全地转换为波长更长的波长范围中的辐射。因此，从转换材料中射出的辐射不具有或者几乎不具有蓝色的份额。在此特别不理解为，蓝色的辐射的与制造相关的少量的分量不会在未经转换的情况下穿过转换材料。特别将完全转换理解为，至少90%、优选多于95%的蓝色的辐射由转换材料转换为波长更长的辐射。
[0021]根据至少一个实施方式，在基本材料中设置有多个开口，在所述开口中分别引入转换材料。基本材料因此由开口贯穿。基本材料相对于转换材料的面积比例的大小在此确定成，使得所期望的蓝色的辐射份额转换为波长更长的辐射，以至于整体上发射所期望的在白色的色度坐标范围中的混合辐射。
[0022]根据至少一个实施方式，在基本材料中矩阵状地设置有开口。在此，“矩阵状地”是指，开口以规则的图案设置在基本材料中。例如，开口能够以行和列的方式设置在基本材料中。开口的设置例如能够形成矩形格或者三角形格。通过矩阵状的设置能够实现:特别分布式地在整个转换小板上，未经转换的蓝色的辐射在经过转换的波长更长的辐射之间从转换小板中射出，以至于产生经过转换的和未经转换的辐射的改进的叠加。
[0023]根据至少一个实施方式，基本材料和转换材料的比例为1:1。这例如意味着，基本材料的玻璃材料的大约50%由转换材料来替代。由此，能够有利地产生所期望的白色转换。所述比例在此能够在制造公差的范围中偏离于1:1的均匀分布。在此，例如直至+/-5%的偏差是可能的。所述比例在此例如也能够与转换材料和基本材料在转换小板中的总体积相关。但是特别地，所述比例与基本材料相对于转换材料的面积比例相关。所述比例例如在转换小板的辐射出射侧上确定。
[0024]根据至少一个实施方式，发射辐射的器件具有发射辐射的半导体芯片，所述半导体芯片适合于发射蓝色的辐射。此外，发射辐射的器件具有转换小板，所述转换小板包含玻璃作为基本材料，在所述基本材料中设置有至少一个开口，其中在至少一个开口中引入转换材料。由半导体芯片发射的蓝色的辐射在此穿过基本材料在未经转换的情况下耦合输出。由半导体芯片发射的蓝色的辐射的穿过转换材料的份额优选完全地转换为波长更长的辐射，以至于从器件中射出的辐射不仅包括蓝色的份额、而且还包括波长更长的份额。这些光份额例如叠加为，使得器件整体上发射白色的辐射。
[0025]半导体器件优选是光电子器件，所述光电子器件能够实现将以电学方式生成的数据或者能量转换为光发射或者反之。半导体器件具有至少一个光电子半导体芯片，优选发射辐射的半导体芯片。半导体芯片优选是LED (发光二极管)，尤其优选是薄膜LED。在薄膜LED中，特别地，生长衬底部分地或者完全地剥离，在所述生长衬底上外延地生长半导体芯片的层。
[0026]半导体芯片具有半导体层堆，在所述半导体层堆中包含有源层。有源层尤其适合于产生蓝色的福射。对此，有源层优选包含pn结、双异质结构、但量子讲结构(SQW, singlequantum well)或者多量子讲结构(MQW,multi quantum well)以用于产生福射。术语量子阱结构在此不显示任何关于量子化的维数的含义。此外，量子阱结构包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的每个组合。
[0027]半导体芯片的半导体层堆优选包含III/V族半导体材料。III/IV族半导体材料尤其适合于产生在紫外的、经过可见的直至红外的光谱范围中的辐射。
[0028]根据至少一个实施方式，基本材料和转换材料以相互间可预设的比例存在，使得由发射辐射的器件放射可预设的颜色的和/或可预设的色度坐标范围的光。如果例如应产生冷白色的光，那么蓝色的辐射的大约17%在未经转换的情况下穿过转换小板是足够。那么，其余的辐射被转换。基本材料和转换材料的比例相应地来选择。
[0029]根据至少一个实施方式，用于制造发射辐射的半导体器件的转换小板的方法包括下述方法步骤:
[0030]a)以小板的形式提供由玻璃构成的基本材料，
[0031]b)在基本材料中构成至少一个开口，以及
[0032]c)将转换材料引入至少一个开口。
[0033]借助于这种制造方法能够实现下述转换小板，所述转换小板局部地包含优选透明的由玻璃构成的基本材料并且与其相邻地局部地包含转换材料。穿过转换小板的辐射在此能够局部地在未经转换的情况下穿过转换小板、特别是在基本材料的区域中，并且与其相邻地局部地在转换材料中转换为另一个波长的辐射。透明的玻璃面积相对于转换材料的比例在此确定经过转换的和未经转换的光、优选蓝光和波长更长的光的相对份额。在此将开口的大小确定为，使得在转换材料中实现完全转换。
[0034]在方法步骤a)中，在此优选制造玻璃板、例如平面玻璃板，所述平面玻璃板具有能够非常准确地设定的厚度。玻璃的特征在于高的稳定性，以至于在方法步骤b)中，在玻璃中能够引入至少一个开口，而不损害玻璃板的稳定性。
[0035]优选地，在方法步骤b)中通过激光辅助的微结构化方法构成至少一个开口。这种方法允许将精确的开口和孔合理地引入由玻璃构成的基本材料。开口的大小在此与所期望的转换度相协调。
[0036]根据至少一个实施方式，转换材料在方法步骤c)中借助于压制法引入到至少一个开口中。因此，借助于压制法来填充孔能够实现均匀的厚度，将所述厚度的大小确定为足以进行完全的转换。
[0037]转换材料优选地以热学方式嵌在基本材料中。特别地，转换材料在引入到基本材料的开口中之后硬化。使用玻璃作为基本材料在此与例如通常使用的硅树脂相比允许更高的温度。特别地，能够使用具有所期望的折射率和所期望的软化温度的玻璃材料。
[0038]根据至少一个实施方式，在方法步骤b)中将多个开口构成到基本材料中并且在方法步骤c)中在每个开口中引入转换材料。基本材料中的开口的数量和大小在此与所期望的转换率并且特别与所期望的产生的色度坐标相关。特别地，经由基本材料和转换材料的面积比例能够设定经过转换的辐射相对于未经转换的辐射的比例。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]本发明的其它的优点和有利的改进方案从在下文中结合附图1至4描述的实施例中得出。附图示出:
[0040]图1示出根据本发明的转换小板的一个实施例的示意俯视图；
[0041]图2A、2B分别示出根据本发明的转换小板的一个实施例的示意横截面，
[0042]图3示出根据本发明的半导体器件的一个实施例的示意横截面，以及
[0043]图4示出转换小板的根据本发明的制造方法的一个实施例的示意流程图。
[0044]在附图中，相同的或者起相同作用的组成部分分别设有相同的附图标记。示出的组成部分和其相互间的大小关系不视为是按照比例的。相反地，为了更好的可视性和/或为了更好的理解，能够以夸张厚的或者夸张大的尺寸示出个别组成部分，例如层、结构、部件和区域。
【具体实施方式】
[0045]在图1中示出转换小板I的俯视图，所述转换小板包含基本材料2。基本材料2优选是玻璃材料，例如平面玻璃。在基本材料2中特别是矩阵状地设置有开口 3。开口 3在此延伸穿过基本材料的整个玻璃厚度。开口 3具有椭圆形的、优选圆形的横截面。优选地，开口 3在其大小方面构成为相同的或者近似相同的。基本材料2中的开口 3的数量在图1的实施例中仅示例性地示出。基本材料2中的开口 3的数量能够根据所期望的应用并且根据所期望的转换率来改变。
[0046]在开口 3中分别引入转换材料4。特别地，转换材料4分别完全地填充开口 3。因此，基本材料2的玻璃厚度相应于转换材料厚度。转换材料4优选分别适合于将蓝色的辐射转换为波长更长的、例如黄色的辐射。在此，相应的开口的进而相应的转换材料4的大小匹配于所期望的色度坐标。特别地，将开口 3和转换材料4的大小确定为，使得分别能够在开口 3的区域中产生蓝色的波长范围中的辐射向波长更长的辐射的完全转换。
[0047]对此，基本材料2和转换材料4的比例例如为1:1。这意味着，玻璃面积的大约50%由转换材料来替代。
[0048]例如，在由100 μ m厚的平面玻璃构成的基本材料中，在方形的设置的情况下，在开口的直径为50 μ m时，得出大约87 μ m的孔间距。
[0049]特别地，能够围绕每个开口绘制具有侧边a的矩形。此时，为了获得转换材料相对于基本材料的50%的比例，必须适用的是，开口的面积等于矩形的面积的一半。在此，在开口的半径为r时，得出下述关系:2r2 Π= l/2a2
[0050]其中
[0051]
【权利要求】
1.一种用于发射辐射的半导体器件(10)的转换小板(1)，其中所述转换小板(I)包含由玻璃构成的基本材料(2 )，在所述基本材料中设置有至少一个开口( 3 )，其中在至少一个所述开口中引入转换材料(4 )。
2.根据权利要求1所述的转换小板， 其中所述基本材料(2)至少对于蓝色的波长范围中的辐射(Sc)是辐射能穿透的。
3.根据上述权利要求中任一项所述的转换小板， 其中所述转换材料(4)完全地填充至少一个所述开口(3)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的转换小板， 其中至少一个所述开口(3)和/或所述转换材料(4)的大小被确定为，使得在所述开口(3)的区域中能够产生在蓝色的波长范围中的辐射(Sc)的完全转换。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转换小板， 其中至少一个所述开口(3)具有截锥状的形状。
6.根据上述权利要求中任一项所述的转换小板， 其中所述基本材料(2 )与娃树脂相比具有更闻的折射率。
7.根据上述权利要求中任一项所述的转换小板， 其中所述转换材料(4)适合于:将蓝色的辐射(S。)转换为波长更长的辐射(SK)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的转换小板， 其中在所述基本材料(2)中设置有多个开口(3)，在所述开口中分别引入转换材料(4)。
9.根据权利要求8所述的转换小板， 其中所述开口(3)矩阵状地设置在所述基本材料(2)中。
10.一种发射辐射的器件(10)，所述发射辐射的器件具有发射辐射的半导体芯片(5)和根据上述权利要求中任一项所述的转换小板(I )，所述半导体芯片适合于发射蓝色的辐射(Sc)。
11.根据上一项权利要求所述的发射辐射的器件(10)， 其中所述基本材料(2)和所述转换材料(4)以相互间能预设的比例存在，使得由所述发射辐射的器件(10)放射能预设的颜色的和/或能预设的色度坐标范围的光。
12.一种制造用于发射辐射的半导体器件(10)的转换小板(I)的方法，具有下述方法步骤: a)以小板的形式提供由玻璃构成的基本材料(2)， b)在所述基本材料(2)中构成至少一个开口(3)， c)将转换材料(4)引入到至少一个所述开口(3)中。
13.根据权利要求12所述的方法， 其中通过激光辅助的微结构化方法来构成至少一个所述开口(3)。
14.根据权利要求12或13所述的方法， 其中借助于压制法将所述转换材料(4)引入到至少一个所述开口(3)中。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法， 其中在方法步骤b)中在所述基本材料(2)中构成多个开口(3)，并且在方法步骤c)中将转换材料(4)引入到每个开口(3)中。
【文档编号】H01L33/50GK103814449SQ201280045661
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年8月16日 优先权日:2011年9月19日
【发明者】安德烈亚斯·普洛斯尔 申请人:欧司朗光电半导体有限公司