光电子半导体组件的制作方法

提出一种光电子半导体组件。

技术实现要素：

要实现的目的是，提出一种光电子半导体组件，所述光电子半导体组件发射具有高的显色指数和/或具有高的色彩对比指数的辐射。

所述目的还通过具有权利要求1的特征的光电子半导体组件实现。优选的改进方案是从属权利要求的主题。

根据至少一个实施方式，光电子半导体组件包括一个或多个光电子半导体芯片。至少一个光电子半导体芯片设计用于产生初级辐射。优选地，初级辐射位于近紫外的和/或可见的光谱范围中，例如位于蓝色的光谱范围中。初级辐射的主波长，英语为peak wavelength(峰值波长)，尤其至少为340nm或420nm或440nm和/或最高为500nm或485nm或470nm。光电子半导体组件能够是发光二极管或激光二极管。

根据至少一个实施方式，半导体组件包括至少一种发光材料或至少一种发光材料混合物。发光材料或发光材料混合物设计用于将初级辐射部分地或完全地转换为更长波长的次级辐射。次级辐射完全地或部分地位于可见的光谱范围中。例如，次级辐射具有从可见的光谱范围到近红外的光谱范围中的尾段在下文中，为了更好的可读性，同义地使用术语发光材料混合物和发光材料。

根据至少一个实施方式，半导体组件具有一种或多种滤波材料。至少一种滤波材料设计用于部分地吸收次级辐射。优选地，滤波材料在初级辐射的范围中不吸收或仅以可忽略的方式吸收。换言之，滤波材料优选对于初级辐射是辐射可穿透的并且不进行吸收或不显著地吸收。

根据一个实施方式，发光材料和滤波材料紧密地与半导体芯片连接。这能够意味着，在半导体组件的常规使用中，半导体芯片不与发光材料和滤波材料脱离。同样，发光材料和滤波材料形状配合地且直接安装在半导体芯片上。尤其，在半导体芯片和发光材料和/或滤波材料之间仅存在一个连接机构，发光材料和/或滤波材料借助于所述连接机构安装在半导体芯片上。此外，在半导体芯片和发光材料和/或滤波材料之间不存在抽真空的或填充气体的缝隙。换言之，在半导体芯片和发光材料和/或滤波材料之间优选存在由固定材料构成的连续的材料连接。

在至少一个实施方式中，光电子半导体组件包括至少一个光电子半导体芯片，所述光电子半导体芯片用于产生在近紫外的或可见的光谱范围中的初级辐射。用于将初级辐射部分地或全部地转换为更长波长的次级辐射的至少一种发光材料沿着放射方向设置在半导体芯片的下游，所述次级辐射位于可见的光谱范围中。此外，光电子半导体组件具有：至少一种滤波材料，用于部分地吸收次级辐射。在此，发光材料和滤波材料紧密地与半导体芯片连接。

在例如基于LED的光电子半导体组件中，除了高的效率和长的使用寿命之外，发射的辐射的特性也是重要的。尤其为了通用照明的目的，高的显色指数，英语color rendering index或简称CRI是期望的。在发射暖白光的半导体组件中特殊的是，在一些应用中力求至少80或至少90的显色指数。

为了借助于发光二极管产生暖白光，通常使用发光材料或发光材料混合物，所述发光材料或发光材料混合物将发光二极管的蓝光的相对大的份额转换为在橙色的或橙红色的光谱范围中的长波的光。因此，这种光源的典型的光谱在相对大的波长中具有强度最大值。然而由此，由半导体组件发射的光谱与光的眼睛敏感度曲线叠加。由于这种小的叠加，能够降低半导体组件的效率。

尤其后续提高显色指数的可能性在于：在半导体组件的下游设置外部的滤波元件。然后，通过选择性地对特定的光谱的分量滤波能够提升显色指数和/或色彩对比指数。当然，这种设置在下游的、外部的滤波器在半导体组件不运行时是对于观察者是可见的。在多种应用中，该通常不显示为白色的滤波器是不期望的。

在这里所描述的半导体组件中，在半导体组件在切断状态中不通过滤波材料不利地影响半导体组件外部的外观的同时，一方面能够实现高的显色指数和高的色彩对比指数。

根据至少一个实施方式，发光材料和/或滤波材料作为颗粒存在。在此，颗粒的尺寸优选至少为10nm或100nm或1μm和/或最高为100μm或30μm或10μm或1μm。发光材料和滤波材料能够具有不同的颗粒尺寸、尤其不同的平均粒径。

根据至少一个实施方式，发光材料的颗粒和/或滤波材料的颗粒在一个或多个基体材料中存在。因此，发光材料和滤波材料嵌入唯一的或在两种不同的基体材料中。基体材料优选是硅酮或硅酮-环氧树脂-混合材料。例如，使用苯基硅酮或甲基硅酮。

根据至少一个实施方式，发光材料和滤波材料以彼此混匀的方式存在。优选地，发光材料的颗粒和滤波材料的颗粒在统计学上混匀至，使得在发光材料和滤波材料之间不存在显著的相分离。换言之，发光材料和滤波材料以彼此均匀混匀的方式存在。替选于此，可行的是，发光材料和滤波材料以两个分开的层或尽可能分离的方式存在。

根据至少一个实施方式，滤波材料设计为：由次级辐射产生三级辐射。换言之，滤波材料也是发光材料物质。在此优选地，三级辐射位于近红外的光谱范围中。在此，近红外尤其表示至少780nm或850nm的或950nm和/或最高1800nm或1500nm或1350nm的波长。通过使用这种滤波材料，在滤波材料中产生的热量由于吸收次级辐射而被最小化，因为能量经由近红外的辐射可有效地从滤波材料中排出。如果滤波材料嵌入基体材料中，那么基体材料优选对于不可见的三级辐射是辐射可穿透的。

根据至少一个实施方式，发光材料和/或滤波材料位于囊封体中、尤其位于共同的囊封体中，所述发光材料和/或滤波材料优选呈颗粒形式或也以溶解的形式存在。囊封体例如直接成形在半导体芯片上或围绕半导体芯片成形并且能够接触半导体芯片。例如，半导体芯片完全由囊封体与载体或壳体共同地包围。

根据至少一个实施方式，例如呈颗粒形式或溶解的形式的发光材料和/或滤波材料安置在小板中。具有发光材料和滤波材料的所述小板直接或间接地施加到半导体芯片上。在间接施加的情况下，小板优选粘贴到半导体芯片上。替选地，可行的是：小板直接在半导体芯片上例如经由印刷法产生或直接在半导体芯片上硬化或直接与半导体芯片烘烤。例如是添加有发光材料和滤波材料的硅酮小板。替选地，小板能够是玻璃小板或陶瓷小板，在玻璃小板或陶瓷小板中嵌入发光材料和/或滤波材料或在其中发光材料和/或滤波材料被共同烧结。

根据至少一个实施方式，滤波材料的颗粒构成为散射颗粒。因此，滤波材料优选对于初级辐射以及对于次级辐射起散射作用。滤波材料的颗粒的平均直径，例如在D₀或D₂或在D₃中测量的D₅₀至少为0.5μm或1.0μm或2.5μm或7.5μm或10μm和/或最高为30μm或25μm。

根据至少一个实施方式，半导体组件设计为：发射暖白光。暖白光优选表示具有如下关联的色温的光：所述色温根据CIE至少为2200K或2400K或2600K和/或最高为5000K或4000K或3500K或3100K或2900K。

根据至少一个实施方式，由半导体组件产生的辐射的色坐标(Farbort)在CIE标准色度表中为色度坐标(Farbkoordinaten)x＝0.46和/或y＝0.41，优选分别具有CIE标准色度表的最高0.03单位或0.02单位或0.01单位的公差。

根据至少一个实施方式，由半导体组件产生的辐射是白光。因此，尤其由半导体组件产生的辐射的色坐标在CIE标准色度表中距离黑体曲线最高0.03单位或0.02单位。

根据至少一个实施方式，与不具有滤波材料的相同的半导体组件相比，通过滤波材料提高显色指数和/或色彩对比指数。根据CIE的显色指数例如在文献US 5,851,063 A中详细说明，尤其参见第2列和第3列。所述文献关于显色指数的公开内容通过参引结合于此。由半导体组件产生的辐射的显色指数优选至少为80或85或90或93。

色彩对比指数，英语Feeling of Contrast Index或简称FCI的定义例如在文献US 2013/0155647A1中提出，特别参见第29至36段。所述文献关于色彩对比指数的公开内容通过参引结合于此。优选地，由半导体组件发射的辐射的色彩对比指数至少为110或120或130。

根据至少一个实施方式，滤波材料由半导电的量子点构成或包括这种量子点。例如，这种量子点通过例如选自InP、CdSe、CdTe、CdS、CdSe、ZnS或ZnSe构成的半导体纳米颗粒形成。通过纳米颗粒的直径可调节这种量子点的吸收性能，其中直径优选至少为3nm或5nm和/或最高为20nm或12nm。替选地或附加地，滤波材料由一种或多种有机滤波物质形成或由有机滤波物质构成。

根据至少一个实施方式，滤波材料是无机物质。例如，滤波材料于是为氮化物、氧化物、氮氧化物、铝酸盐、玻璃或石榴石或包括这些材料类的一种或多种的物质。滤波材料和发光材料或发光材料中的一种能够基于相同的材料体系和/或晶系，滤波材料和发光材料或发光材料中的一种例如能够是石榴石。

尤其，滤波材料是如下物质，所述物质掺杂有稀土元素中的一种或多种元素或包括稀土元素中的一种或多种元素。优选地，滤波材料包括如下元素中的一种或多种：Er、Ho、Nd、Tm、Pr、Sm。

根据至少一个实施方式，滤波材料选择性地吸收和/或在光谱方面窄带地吸收。因此，换言之，滤波材料在次级辐射的整个光谱范围上不具有显著的吸收率。尤其，滤波材料在光谱方面窄带地在至少500nm或520nm或530nm和/或最高560nm或550nm或540nm的波长范围中吸收。规定的波长在此表示最大吸收的波长。在光谱方面窄带地能够意味着：滤波材料的相应的吸收带具有最高为20nm或15nm或10nm或5nm的光谱的半高宽，英语Full Width at Half Maximum或简称FWHM。在此，尤其如下这种波长称作为用于吸收的：在半导体组件中的滤波材料在所述波长中具有至少5％或2％或1％或0.2％的吸收率。

根据至少一个实施方式，滤波材料吸收总的次级辐射的至少0.5％或1％或2％。替选地或附加地，次级辐射的由滤波材料吸收的份额最高为20％或10％或5％。

根据至少一个实施方式，发光材料是由(Lu,Ce)₃(Al,Ga)₅O₁₂和(Ca,Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu构成的混合物。替选于这两种提到的发光材料，也能够使用有机的和/或无机的发光材料或发光材料混合物，尤其如在文献EP 2 549 330 A1中说明的发光材料或发光材料混合物。关于发光材料方面，所述文献的公开内容通过参引并入本文。

根据至少一个实施方式，滤波材料是Y₃Al₅O₁₂:Nd。在此，Y晶格位置的由Nd取代的份额优选至少为1％或2％或5％和/或优选最高为100％或30％或15％。在Nd含量为100％的情况下即为Nd₃Al₅O₁₂。

根据至少一个实施方式，发光材料的质量与滤波材料的质量的商至少为1或1.2或1.4。因此，换言之，所使用的发光材料的质量超过所使用的滤波材料的质量。替选地或附加地，所述商最高为5或3或2或1.5。

根据至少一个实施方式，发光材料和滤波材料优选分别以均匀混匀的颗粒的形式嵌入共同的基体材料中。在此，滤波材料优选通过(Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂形成，例如其中0.04≤x或0.06≤x或0.08≤x或0.1≤x和/或x≤0.6或x≤0.45或x≤0.3或x≤0.2。

根据至少一个实施方式，滤波材料的掺杂材料如Nb占由发光材料、滤波材料和基体材料构成的混合物的质量份额至少为1％或1.5％或4％。替选地或附加地，所述质量份额最高为10％或6.5％或5％。在此，能够是如下情况：滤波材料的质量份额，尤其(Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂占由基体材料、发光材料和滤波材料构成的混合物中的质量份额至少为20％或40％和/或最高为80％或60％。

根据至少一个实施方式，次级辐射在如下波长、英语Peak Wavelength峰值波长中具有绝对强度最大值：所述波长至少为570nm或590nm或605nm。替选地或附加地，所述强度最大值最高为650nm或630nm或620nm。

在下文中，参照附图根据实施例详细阐述这里所描述的光电子半导体组件。在此，在各个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。然而，在此不成比例地示出，更确切地说为了更好的理解能够夸大地示出各个元件。

附图说明

附图示出：

图1至3示意地示出在此所描述的光电子半导体组件的实施例的示意剖视图；

图4示出半导体组件的发射光谱的示图；

图5示出在此所描述的光电子半导体组件的发射光谱的示图；以及

图6示出Y₃Al₅O₁₂:Nd的与Nd份额相关的光学性能的视图。

具体实施方式

在图1中示出光电子半导体组件1的一个实施例。半导体组件1具有光电子半导体芯片2，例如发蓝光的发光二极管芯片。半导体芯片2位于壳体6的凹部中并且与电接触部7导电地连接。

沿着主放射方向在半导体芯片2下游排列有囊封体51。囊封体51与半导体芯片2直接接触并且形状配合地包围半导体芯片2。换言之，囊封体51与半导体芯片2紧密地连接。

囊封体51包括基体材料50，所述基体材料是硅酮，尤其甲基硅酮。此外，在基体材料50中引入发光材料3的颗粒，其中发光材料是两种不同的发光材料物质的混合物。此外，在基体材料50中存在滤波材料4的颗粒。

发光材料3由第一发光材料物质和第二发光材料物质组成。第一发光材料物质是组合物(Lu,Ce)₃(Al,Ga)₅O₁₂的发绿光的发光材料，所述组合物具有25％的Ga份额和2.5％的Ce份额。关于总囊封体51，第一发光材料物质以12.9％的重量份额存在。

第二发光材料物质通过(Ca,Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu形成，其中具有10％的Ca、40％的Sr和50％的Ba，其中3.25％的份额的Ca、Sr、Ba晶格位置由Eu取代。第二发光材料物质以总囊封体51计的重量份额为2.8％。两种发光材料物质优选都以具有15μm左右的范围中的直径的颗粒的形式存在。

为了改进由半导体组件1发射的光的显色指数，还存在Y₃Al₅O₁₂:Nd作为滤波材料4，其具有8％的Nd份额。滤波材料4以总囊封体51计的重量份额为10％。

尤其，发射暖白光的半导体组件，参见图4中的典型的光谱，曲线C，示出与眼睛敏感度曲线(参见图4中的曲线A)的相对小的光谱的叠加。与此相对，在冷白色的发射中，参照图4中的曲线B，存在与眼睛敏感度曲线A的相对大的光谱的叠加。在此，在图4和5中，相对于任意单位、简称a.u.的强度I分别绘制nm单位的波长λ。

为了实现尤其将暖白光的发射光谱更好地匹配于眼睛敏感度曲线，掺入滤波材料4。结合图5A可见滤波材料4的作用。曲线D对应于不具有滤波材料4的半导体组件，曲线E对应于如结合图1所阐述的半导体组件1。

通过滤波材料4，根据图5A从曲线D至曲线E将显色指数从80提高至82。在此，Ra8-值用作显色指数。通过滤波材料，CIE-x-坐标略微从0.460提高至0.461，CIE-y-坐标不变，为0.410。关联的色温通过滤波材料4从2687K略微提高至2692K。换言之，基本上仅在显色指数方面显现出通过滤波材料4产生的作用，而在其他光度学的特征参数方面、如CIE色坐标或关联的色温不显著地显现出通过滤波材料4产生的作用。

在图5B和5C中示出具有83的显色指数和2700K的关联的色温的光谱，分别参见曲线D。在曲线E中，分别使用滤波材料，类似于根据图1的实施例，然而以不同的浓度使用。在此，从图5A至图5C，次级辐射通过滤波材料4的吸收率升高。

由此，根据图5B能够实现为88的显色指数以及根据图5C能够实现为95的显色指数。在此，滤波材料4不在初级辐射的范围中吸收或仅可忽略地吸收，所述初级辐射由半导体芯片2直接产生。滤波材料4还不在可见的光谱范围中发射辐射，而仅在不可见的、近红外的光谱范围中、在高于700nm的波长下发射辐射。

囊封体51与壳体6一起完全地包围半导体芯片2。可行的是，囊封体51成形为会聚透镜或者，与示出的不同，也成形为散射透镜。同样，囊封体51能够突出于壳体6中的凹部。

在图2中示出半导体组件1的另一实施例。经由胶粘剂8以紧密连接的方式将小板52施加到半导体芯片2上，所述小板包含优选均匀混匀的发光材料3和滤波材料4。胶粘剂8的厚度优选至少为0.5μm和/或最高为5μm。小板52能够是陶瓷小板、玻璃小板或硅酮小板，所述小板以相应的浓度包含发光材料3以及滤波材料4。小板52能够具有恒定的厚度并且平面平行地成形或者也可选地设有用于改进光耦合输出的粗化部。

可选地，囊封体51以围绕半导体芯片2的方式以及以围绕小板52的方式存在。可行的是，囊封体51包含附加的散射光的颗粒，以更好地混匀辐射或调整空间的放射特性。这种附加的散射颗粒也能够在所有其他的实施例中存在和/或能够附加地包含在根据图1的囊封体51中或包含在根据图2的小板52中。

在根据图3的实施例中，半导体芯片2由具有发光材料3的第一层以及由具有滤波材料4的第二层包围。因此，发光材料3和滤波材料4彼此单独地存在。发光材料3与滤波材料4的相应的分离也能够以如结合图1和2示出的构型存在。

可选地，由半导体芯片2、发光材料3以及滤波材料4构成的装置跟随排列有例如透镜状的囊封体51。囊封体51能够是透明囊封体，如也结合图2那样是可行的。

在图6中示出能够用作滤波材料4的(Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂的吸收特性。在图6A和6B中，相对于nm单位的波长λ，针对0.01、0.04、0.08、0.12和0.16的x值，以及针对0.15、0.25、0.40、0.55、0.70、0.80、0.90和1绘制以％计的滤波材料的漫反射能力R。具有所述x值之一的(Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂能够在所有实施例中考虑作为滤波材料4。

随着x增加，即Nd份额增加，漫反射能力R降低进而吸收率增加。在此，为了更好的可读性，在附图中，将(Y_1-x,Nd_x)₃Al₅O₁₂写作(Y1-xNdx)3Al5O12。尤其在橙色光谱范围中显示出所述滤波材料的清晰的吸收带。

在图6C中，相对于Nd份额x绘制以％计的100与漫反射能力R的差作为吸收率的刻度值。在此，对漫反射能力R在582nm至586nm的光谱范围上取平均值。随着x增加，在橙色的光谱范围中的吸收率也连续地升高。相对于Nd份额x的以％计的漫反射能力R的相应的示图作为柱状图在图6D中示出。

在此描述的发明不受根据实施例进行的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，这尤其包含在权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或这些组合本身并未详尽地在权利要求中或实施例中说明也如此。

本专利申请要求德国专利申请10 2014 108 188.9的优先权，其公开内容通过参引结合于此。

附图标记列表

1 光电子半导体组件

2 光电子半导体芯片

3 发光材料

4 滤波材料

51 囊封体

52 小板

6 壳体

7 电接触部

8 胶粘剂

9 载体

A至D 附图中的曲线

I 任意单位(a.u.)的强度

λ 以nm为单位的波长