專利名稱：具有發(fā)光變換元件的發(fā)光半導體器件的制作方法
本申請是申請人奧斯蘭姆普托半導體股份有限兩合公司的申請日為1997年6月26日的發(fā)明名稱為“具有發(fā)光變換元件的發(fā)光半導體器件”的中國專利申請200310118179.2的分案申請。
本發(fā)明涉及按照權利要求1前序部分的發(fā)光半導體器件。
這種類型的半導體器件，例如從公開文件的DE 38 04 293中有所了解。文中介紹了一種電激發(fā)光二極管或激光二極管的結構。在此結構中，通過一個摻有發(fā)熒光的變光有機染料的塑料元件將二極管發(fā)射的全部發(fā)射光譜向波長較大的方向推移。通過這種措施，使這種結構發(fā)射出另一種不同于發(fā)光二極管發(fā)射的顏色的光。通過在塑料中摻入不同種類的染料，用同一種發(fā)光二極管就可以制成發(fā)射不同顏色的光的發(fā)光二極管結構。
在DE-OS 2 347 289中發(fā)表了一種紅外(IR)固體燈，其中，在一個IR二極管的邊沿上涂布熒光劑，從而使該處所發(fā)射的IR射線轉變成可見光。采用這種措施的目的在于，為了控制的目的，在盡可能小地降低二極管發(fā)射的IR射線強度的同時，將其中盡可能小的一部分射線轉換成可見光。
另外，在EP 486 052中發(fā)表了一種發(fā)光二極管，其中，在基片與一層有源電激發(fā)光層之間至少設置一層半導體光激發(fā)光層，將來自該有源層朝向基片發(fā)射的第一波長段的光變換成第二波長段的光，從而使該發(fā)光二極管總共發(fā)射各種不同波長段的光。
在發(fā)光二極管的許多有發(fā)展前途的應用范圍中，例如在Kfz儀表盤上的顯示元件，飛機和汽車的內部照明，以及在能夠發(fā)射全色光的發(fā)光二極管顯示器中，都對發(fā)光二極管提出嚴格的要求，使其能夠產(chǎn)生混合光，特別是白光。
在JP-07 176 794-A中介紹了一種發(fā)射白光的平面光源，在其中的一塊透明板的前端設置兩個發(fā)射藍光的發(fā)光二極管，向透明板的內部發(fā)射光。在透明板兩個相向對面設置的兩塊主表面中的一個表面上涂有發(fā)光物質的涂層，當其受到二極管的藍光激發(fā)之后便會發(fā)光。發(fā)光物質發(fā)射的光的波長與二極管所發(fā)射的藍光的波長有所不同。采用這種已知結構的元件卻難以采用這種方式涂布能以使光源發(fā)射均勻白光的熒光物質。除此以外，在大批量生產(chǎn)中的可再現(xiàn)性已經(jīng)成為大問題，因為只要熒光層的厚度略有參差不齊，例如出于透明板表面不平的原因，就會導致發(fā)射光的白色色調發(fā)生變化。
按照本發(fā)明的基本任務是給出一種按照在開頭所述方式的半導體器件，能夠均勻發(fā)射混合色，既能采用簡單工藝方法進行大批量生產(chǎn)，又能在最大程度上保證器件的可再現(xiàn)性特征。
按照權利要求1中的半導體器件就能夠完成這項任務。按照本發(fā)明的其他有利結構如從屬權利要求2至27中所列。在從屬權利要求28至30中給出了按照本發(fā)明的半導體器件優(yōu)先選用的用途。
按照本發(fā)明的規(guī)定具有的發(fā)光半導體主體是一種多層結構，特別是由一種用GaxIn1-xN或者GaxAl1-xN制成的有源半導體多層結構，在半導體器件工作時，發(fā)射一種由紫外、藍和/或綠光譜段構成的第一波長段的電磁射線。發(fā)光變換元件將來自第一波長段的一部分射線按照下列方式變換為一種第二波長段的射線，也就是由半導體器件發(fā)射混合射線、特別是由第一波長段的射線和第二波長段的射線構成的混合色光。這就是說，例如發(fā)光變換元件是從半導體主體發(fā)射的射線中僅只優(yōu)先選取第一波長段中的一個光譜段進行選擇吸收，然后在波長較長的波段(在第二波長段中)進行發(fā)射。優(yōu)先選擇的是在半導體主體發(fā)射的波長為λ≤520nm射線中的一個相對的強度最大值，而由發(fā)光變換元件選擇吸收的光譜中的波長段則是處于這個強度最大值以外。
采用按照本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，能夠將若干(一個或多個)來自第一波長段的第一光譜段變換成多個第二波長段。從而還可能產(chǎn)生多重色混合和色溫的優(yōu)點。
按照本發(fā)明的半導體器件具有的特別優(yōu)點是通過發(fā)光變換產(chǎn)生的波長光譜以及由此發(fā)射的光色不受流過半導體主體的工作電流大小的約制。當半導體器件的環(huán)境溫度發(fā)生變化的時候，以及由此造成眾所周知的工作電流強度產(chǎn)生劇烈變化的時候，這個優(yōu)點就會具有特別重大的意義。特別是一種以GaN為基的半導體主體的發(fā)光二極管在這方面甚為敏感。
除此以外，按照本發(fā)明的半導體器件只能需要一個單獨的控制電壓，因而也只能需要一個單獨的控制電壓配置，于是使半導體器件的控制線路所需的設置費用停留在很小的程度。
在按照本發(fā)明的特別優(yōu)先選用的結構形式中，在半導體主體的上方或上面設置了一種部分透明的發(fā)光變換層，也就是供發(fā)射射線的半導體主體發(fā)射射線之用的部分透明的發(fā)光變換層。為了保證發(fā)射的光肯定能夠有統(tǒng)一的顏色，優(yōu)先選用的是將發(fā)光變換層做成具有這樣的恒定透射路徑的結構，這樣就具有特別好的優(yōu)點，使半導體主體發(fā)射的所有發(fā)射方向的光穿過發(fā)光變換層的路徑長度幾乎恒定。只有在半導體器件在所有的方向上發(fā)射的光都是同樣的光的時候方才能夠達到這樣的要求。一種按照改進結構的、按照本發(fā)明的半導體器件的另一個特別好的優(yōu)點在于，采用簡單的方法就能達到高度的再現(xiàn)性，這對于一種有效率的大批量生產(chǎn)來說具有重要意義?？梢宰鳛榘l(fā)光變換層之用的是，例如摻有熒光劑的清漆層或者樹脂層。
按照本發(fā)明的另一種優(yōu)先選用的結構形式是用部分透明發(fā)光變換包殼做的發(fā)光變換元件，這種包殼至少包住半導體主體的一部分(有時候還包住導電引線的一部分)，并且同時作為結構包殼(外殼)使用。按照這種結構形式的一種半導體器件的優(yōu)點主要在于，在進行這種制造時能夠因襲使用制造發(fā)光二極管(例如徑向發(fā)光二極管)所慣用的生產(chǎn)線。包殼的結構構件是用發(fā)光變換包殼的材料取代普通二極管所用的透明塑料。
采用按照本發(fā)明的半導體器件的其他有利結構形式以及上述兩個優(yōu)先選用的結構形式時，發(fā)光變換層或者發(fā)光變換包殼是用一種至少摻有一種熒光劑的透明材料，例如塑料，優(yōu)先選用是環(huán)氧樹脂(優(yōu)先選用的塑料和熒光劑見以下所述)。采用這種方法時，以采用發(fā)光變換元件的制造成本最為經(jīng)濟。為此所用的制造工序與發(fā)光二極管的生產(chǎn)線相比不會另加大筆費用。
采用本發(fā)明的或者上述結構形式的特別優(yōu)先選用的改進結構預先需要考慮的是，本波長段或者第二波長段的波長要遠遠大于第一波長段的波長。
特別要考慮的是，第一波長段的一個第二光譜段和一個第二波長段之間要彼此互補。采用這樣的辦法，可以從一個統(tǒng)一的有色光源，特別是從一個統(tǒng)一發(fā)藍光的半導體主體產(chǎn)生混合光，特別是白光。例如為了使發(fā)藍光的半導體主體產(chǎn)生白光，要將從半導體主體發(fā)射的蘭色光譜段中的射線的一部分變換成蘭色的補償色的黃色光譜段。借此通過選用合適的發(fā)光變換元件、特別是通過選用合適的熒光劑、熒光劑的粒度、濃度，來改變白光的色溫或者色位。除此以外，這種結構還有利于提供一種可能性，即采用混合熒光劑的可能性，從而能夠有利于將色調調整到非常精確的程度?？v然如此，例如出于熒光劑不均勻分布的原因，仍然會使發(fā)光變換元件發(fā)生不均勻發(fā)射。通過上述措施，能夠有利于對于光線穿過發(fā)光變換元件路徑的不同長短進行補償。
通過按照本發(fā)明優(yōu)先選用的半導體器件的結構形式，要使發(fā)光變換元件或者構件包殼中的其他構件能以與一種或多種染料適配，而又不會對波長變換產(chǎn)生影響。為此可以使用普通二極管慣用的染料，例如偶氮染料、蒽醌染料或者周萘酮(Perinon)染料。
為了防止發(fā)光變換元件受到過高輻射劑量的影響，通過對于半導體器件的有利改造，或者通過上述優(yōu)先選用的結構形式，至少將半導體主體的一部分表面采用，例如塑料制的透明外殼包住，在其表面上涂布發(fā)光變換層，借以減少發(fā)光變換元件的放射密度、轉而減少其輻射劑量，根據(jù)所用材料的不同，對發(fā)光變換元件的使用壽命產(chǎn)生良好的影響。
在通過本發(fā)明的特別優(yōu)先選用的措施及其結構形式中，采用一種發(fā)射這樣射線的半導體主體，即發(fā)射的發(fā)射光譜的波長在420nm和460nm之間，特別是在430nm處(例如以GaxAl1-xN為基礎的半導體主體)，或者在450nm處(例如以GaxIn1-xN為基礎的半導體主體)出現(xiàn)一個強度最大值。采用這樣的按照本發(fā)明的半導體器件，就有利于產(chǎn)生C.I.E.色表中的幾乎所有的顏色和混合色。此處發(fā)射射線的半導體主體是用如上所列的主要是用電致發(fā)光半導體材料，但是也能用一種其他電致發(fā)光材料，例如聚合物材料制成。
在本發(fā)明的其他特別優(yōu)先選用的改進結構中以及在其結構形式時，發(fā)光變換包殼或發(fā)光變換層是用一種清漆或塑料制成的，例如是用一種在光激器件包殼中的硅樹脂、熱塑性塑料或硬質塑料材料(環(huán)氧樹脂和丙稀酸樹脂)制成的。例如還能用熱塑性塑料制成頂蓋元件，作為發(fā)光變換包殼之用。以上所列的材料能夠采用簡單的方法摻入一種或多種熒光劑。
當將半導體主體設置在一個缺口中，或在預制好的一個外殼之中，并在缺口處用一個涂有發(fā)光變換層的頂蓋蓋住時，就能特別簡單地實現(xiàn)按照本發(fā)明的半導體器件。這樣的一種半導體器件可以在普通的生產(chǎn)線上大批量制造。對此必須做的僅只是要在該外殼之中安裝完半導體主體之后再在外殼上裝設，例如用清漆層或鑄模樹脂層做的覆蓋元件，或者蓋上用熱塑性塑料做的預制蓋板。也可以改用透明材料的外殼缺口，例如用透明塑料封填，這樣特別不會改變來自半導體主體發(fā)射的光線的波長；如果愿意，還可以預先做成發(fā)光變換結構。
出于特別容易實現(xiàn)的原因，特別優(yōu)先選用的按照本發(fā)明的半導體器件的改進結構是將半導體主體設置在一個預制的或者業(yè)已裝好引線框的外殼中，并且將外殼用至少部分透明的鑄模樹脂填滿，在澆注缺口之前，預先摻入熒光劑。由于使用摻有熒光劑的澆注料來澆注半導體主體，就等于設置了發(fā)光變換元件。
為制造發(fā)光變換元件特別優(yōu)先選用的材料是摻有一種或多種熒光劑的環(huán)氧樹脂。也可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)取代環(huán)氧樹脂。
可以通過簡單的方式在PMMA中摻入有機染料。要想制造發(fā)射綠色、黃色和紅色的，按照本發(fā)明的半導體器件可以使用，例如以周萘烯(Perylen)為基的染料分子。還可以通過摻入4價金屬有機化合物的方法來制造發(fā)射UV、可見光或紅外光的半導體器件。特別是通過摻入Eu3+為基的金屬有機螯合物(λ≈620nm)能夠實現(xiàn)發(fā)射紅光的、按照本發(fā)明的半導體器件。發(fā)射紅光的、按照本發(fā)明的、特別是發(fā)射藍光的半導體主體的半導體器件能夠通過摻入4價藍寶石的螯合物、或摻入預先摻有Ti+3的藍寶石進行混合的方法制造。
采用這樣的一種方式有利于制造發(fā)射白色光的按照本發(fā)明的半導體主體，即通過適當選用熒光劑將由半導體主體發(fā)射的蘭光變換成補償色的波段，特別是蘭色及黃色波段或者變換成疊加三色光，例如藍、綠、和紅光。這樣就能通過熒光劑產(chǎn)生黃光，或者產(chǎn)生綠光和紅光。由此產(chǎn)生的白色色調(CIE-色表中的色調)能夠通過適當選用混合用的染料及其濃度加以改變。
適合于做發(fā)射白光的、按照本發(fā)明的半導體器件用的熒光劑是，例如發(fā)綠光用的BASF Lumogen F 083、發(fā)黃光用的BASF Lumogen F 240、發(fā)紅光用的BASF Lumogen F 300一類的周萘烯熒光劑。這些熒光劑可以采用簡單的方式摻入，例如透明樹脂中。
一種利用發(fā)藍光的半導體主體來制造發(fā)綠光的半導體器件的優(yōu)先選用的方法是用硼硅酸鹽玻璃置換發(fā)光變換元件中的UO2++。
采用對于按照本發(fā)明的半導體器件以及對于上述有利的結構形式的結構進行改進的另一個優(yōu)先選用的改進結構是在發(fā)光變換元件或者結構包殼的其他透射組件中另外摻入稱之為擴散劑的光散射顆粒。通過這種辦法能夠有利于使半導體器件的著色性以及發(fā)射性達到最佳化。
按照本發(fā)明的半導體器件的一種特別有利的結構形式在于在發(fā)光變換元件的至少一部分透明環(huán)氧樹脂中摻入一種無機熒光劑。最有利的方法也就是采用簡單方法使無機熒光劑與環(huán)氧樹脂形成化合物。一種特別優(yōu)先選用的、用來制造發(fā)白光的半導體器件的無機熒光劑是磷YAG:Ce(Y3Al5O12:Ce3+)。這種熒光劑能夠采用特別簡單的方法與在LED工藝中慣用的透明環(huán)氧樹脂相混合。其他可以考慮作為熒光劑用的有摻雜稀土元素的石榴石，如Y3Ga5O12:Ce3+、Y(Al，Ga)5O12:Ce3+、Y(Al，Ga)5O12:Tb3+以及摻有稀土元素的堿土金屬的硫化物如SrS:Ce3+，Na，SrS:Ce3+，Cl，SrS:CeCl3，CaS:Ce3+和SrSe:Ce3+。
此外，摻有稀土元素的硫代沒食子酸鹽，例如CaGa2S4:Ce3+，SrGa2S4:Ce3+特別適合于生成不同類型的混合色光。也可以考慮使用摻有稀土元素的鋁酸鹽，例如YAlO3:Ce3+，YGaO3:Ce3+，Y(Al，Ga)O3:Ce3+以及摻有稀土元素的正硅酸鹽M2SiO5:Ce3+(M:Sc，Y，Sc)例如Y2SiO5Ce3+。所有釔的化合物原則上都可以用鈧或鑭替代。
另外一個可用的按照本發(fā)明的半導體器件的結構形式是至少采用純無機材料制成的包殼的發(fā)光組件，也就是說，是采用純無機材料制成的發(fā)光變換包殼或發(fā)光變換層。因此，發(fā)光變換元件是用一種在對溫度穩(wěn)定的透明或部分透明的材料中摻入無機熒光劑制成的。特別是用一種有利的方法在低熔融溫度的無機玻璃(例如硅玻璃)中摻入一種無機磷制成的。制造這樣的發(fā)光變換層的一種優(yōu)先選用的方法是Sol-Gel-技術，采用這種工藝是將整個發(fā)光變換層，不僅是無機熒光劑還有所摻的材料都可以在一道工序中進行。
為了改善由半導體主體發(fā)射的第一波長段的射線與經(jīng)過發(fā)光變換的第二波長段的射線的混合，以及發(fā)射光的色均勻性，要在按照本發(fā)明的半導體器件中采用有利措施，在發(fā)光包殼或發(fā)光變換層中和/或結構包殼的其他元件中另外摻入一種發(fā)藍光的染料，借以降低由半導體主體發(fā)射射線的所稱的取向特征。取向特征是指使半導體主體發(fā)射的射線呈現(xiàn)一種優(yōu)先選用的發(fā)射方向。
在按照本發(fā)明半導體器件的一個優(yōu)先選用的一種措施中，采用有機熒光劑粉末來達到上述目的，此時的熒光劑不會在其周圍的材料(基底)中溶解。另外，有機熒光劑與其周圍的材料的折射指數(shù)互不相同。這樣就增加了一個有利之處，即未被熒光劑吸收的光的部分不會受熒光劑粒度的約制而產(chǎn)生散射。這樣就會大大降低半導體主體發(fā)射射線的取向特征，從而使未被吸收的射線和經(jīng)過發(fā)光變換的射線得以均勻混合，結果導致產(chǎn)生三維均勻色壓。
由于制造發(fā)光變換包殼或發(fā)光變換層所用的環(huán)氧樹脂與無機熒光劑(Y3Al5O12:Ce3+)互相混合，所以一種發(fā)射白光的、按照本發(fā)明的半導體器件能以特別優(yōu)選的方式實現(xiàn)。由半導體主體發(fā)射的蘭色射線的一部分被無機熒光劑移位至黃色的光譜段，因而被推移到與蘭色互補的波長段。通過適當選擇染料的混合濃度，可以改變白色光的色調(在CIE色表中的色位)。
無機熒光劑YAG:Ce還有另外的一個優(yōu)點，即可以由此而成為一種折射指數(shù)在1.84左右的不溶性顏料(粒度在10μm以內)。這樣除了波長發(fā)生變換之外還會產(chǎn)生一種散射效應，結果導致使發(fā)射藍光的二極管的射線和經(jīng)過變換發(fā)射的黃光進行良好的混合。
在另一個按照本發(fā)明的半導體器件的優(yōu)先選用的改進結構中，以及上述有利的制造形式中，向發(fā)光變換元件或結構包殼的其他的一個透過射線的構件另外增加摻有稱為擴散劑的光散射顆粒。采用這樣的辦法，有利于色壓和半導體器件發(fā)射性能的進一步最佳化。
特好的優(yōu)點在于，按照本發(fā)明發(fā)射白光的半導體器件及其上述結構形式的、主要以GaN為基制成的發(fā)藍光的半導體主體的發(fā)光效率與一個白灼燈泡的發(fā)光效率有可比性。其原因在于，這種半導體主體的外部量子輸出量只有百分之幾，而另一方面有機染料分子的發(fā)光效率卻經(jīng)常在90％以上。除此以外，按照本發(fā)明的半導體器件與白灼燈泡相比，其使用壽命特長，非常結實，工作電壓較小。
另外的有利之處在于，由于肉眼的靈敏度隨著波長的增大而增高，所以人眼對于按照本發(fā)明的半導體器件亮度的分辨能力與對于未裝發(fā)光變換元件的相比，縱然同樣都裝有半導體器件，但對于前者卻能夠明顯提高。
另外，按照本發(fā)明原理的有利之處還在于當一個半導體主體除了發(fā)射紫外射線以外還可改成發(fā)射可見光。因此會使半導體主體發(fā)射的光的亮度明顯提高。
此處所說通過發(fā)光變換使半導體主體發(fā)射藍光的概念還可以有利于利用多級發(fā)光變換元件按照紫外→藍→綠→黃→紅的順序加以擴展。此時，要在半導體主體后面按照先后順序設置對多種光譜選擇發(fā)射的發(fā)光變換元件。
還可以采用有利的方式將多種不同的光譜選擇發(fā)射的染料分子一并摻入發(fā)光變換元件的透明塑料之中。這樣就能夠產(chǎn)生很寬的色光譜。
專門使用YAG:Ce作發(fā)光變換染料的、按照本發(fā)明發(fā)射白光的半導體器件的特殊優(yōu)點在于，這種熒光劑受到藍光激發(fā)會在光譜的吸收和發(fā)射之間產(chǎn)生大約100nm的推移。這會導致大大降低對于熒光劑所發(fā)射的光的反吸收，結果導致發(fā)光效率的提高。另外，YAG:Ce具有有利的熱和光化學的(例如UV-的)高穩(wěn)定性(主要是高于有機熒光劑)，所以適合于制造在戶外和在高溫段使用的發(fā)白光的二極管。
迄今為止，YAG:Ce在反吸收、光效率、光化學穩(wěn)定性以及制造加工方面顯然是一種最適用的熒光劑。并且據(jù)認為還可以用于在摻有Ce的磷、特別是摻有Ce的石榴石中使用。
按照本發(fā)明特別有利的是在于特別適合于全色LED顯示的功率消耗小、適合于在Kfz車內或飛機艙內照明、以及在Kfz儀表盤等的顯示裝置或者液晶顯示的照明中使用。
按照本發(fā)明的其他特征、優(yōu)點和實用性參見以下9個實施例結合

圖1至14的說明。
圖1是按照本發(fā)明的半導體器件第一實施例的示意剖面圖；圖2是按照本發(fā)明的半導體器件第二實施例的示意剖面圖；圖3是按照本發(fā)明的半導體器件第三實施例的示意剖面圖；圖4是按照本發(fā)明的半導體器件第四實施例的示意剖面圖；圖5是按照本發(fā)明的半導體器件第五實施例的示意剖面圖；圖6是按照本發(fā)明的半導體器件第六實施例的示意剖面圖；圖7是具有以GaN為基的一個多層結構的一個發(fā)射藍光的半導體主體的發(fā)射光譜示意圖；圖8是按照本發(fā)明的兩個發(fā)射白光的半導體器件的發(fā)射光譜示意圖；圖9是發(fā)射藍光的半導體主體的剖面示意圖；圖10是按照本發(fā)明的半導體器件第七實施例的示意剖面圖；圖11是發(fā)射混合紅光的按照本發(fā)明的半導體器件的發(fā)射光譜示意圖；圖12是發(fā)射白光的按照本發(fā)明其他的半導體器件的發(fā)射光譜示意圖；圖13是按照本發(fā)明的半導體器件第八實施例的示意剖面圖；圖14是按照本發(fā)明的半導體器件第九實施例的示意剖面圖。
在各圖中的同樣或起同樣作用的部分都標以同樣的標號。
圖1所示的發(fā)光半導體器件具有一個半導體主體 1、一個背面接觸件11、一個正面接觸件12和一個由不同的疊層疊置成的多層結構7，其中還有一個在半導體器件工作狀態(tài)中發(fā)射至少一種射線(例如紫外、藍或綠)的有源區(qū)。
圖9所示是適合于作為這種元件以及所有在以后介紹的實施例中的元件的一種多層結構7的示例。圖中，在用SiC制成的基片18上設置一層涂有AlN-或者GaN-層19、一層n-導通的GaN-層20、一層n-導通的GaxAl1-xN-或者GaxIn1-xN-層21、一個另外的n-導通的GaN-或者一層GaxIn1-xN-層22、一層p-導通的GaxAl1-xN-層或者GaxIn1-xN-層23和一層p-導通的GaN-層24的多層結構。在GaN-層24的一個主表面25上，以及在基片18的一個主表面26上分別設置一個金屬接觸件27，28，這是采用在慣用的發(fā)光半導體技術的導電接觸件中所用的材料制成的。
也可以采用根據(jù)其他技術人員認為是適合的其他半導體主體作為按照本發(fā)明的半導體器件使用。這同樣適用于以下所述所有的實施例。
在圖1的實施例中，半導體主體采用一種導電粘接劑，例如一種金屬焊料或者粘接材料將其底面接觸件11固定在第一導電引線2上。正面接觸件12采用一條粘結金屬絲14與一個第二導電引線3連接。
將半導體主體1未占用的表面和導電引線2及3的一部分線段直接用一種發(fā)光變換包殼5包住。這種包殼是優(yōu)先選用一種在透明發(fā)光二極管中使用的摻有熒光劑6的、優(yōu)先選用摻有有機熒光劑的透明塑料(優(yōu)先選用是環(huán)氧樹脂或者也可以用聚甲基丙烯酸甲酯)制成的；發(fā)白光的器件優(yōu)先選用Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)摻和。
在圖2中所示的一個按照本發(fā)明半導體構件的實施例與圖1的不同之處在于，半導體主體1和導電引線2及3的部分線段不是用一種發(fā)光變換材料、而是用一種透明包殼15包住。這種包殼不會使半導體主體1發(fā)射的射線波長發(fā)生變化；是用一種，例如在發(fā)光二極管工藝中慣用的環(huán)氧樹脂、或丙烯酸酯樹脂、或另一種能夠透光的材料，例如無機玻璃制成的。
在這種透明的包殼15上涂布一層發(fā)光變換層4，如圖2所示，將包殼15的整個表面包住，也可以用發(fā)光變換層4僅只包住這個表面的一部分。發(fā)光變換層4仍然是用，例如由一種摻有熒光劑6的透明塑料(例如環(huán)氧樹脂，清漆或甲基丙烯酸甲酯)制成的。這樣發(fā)白光的半導體器件也是優(yōu)先選用YAG:Ce作為熒光劑。
這個實施例特有的優(yōu)點在于，由半導體主體發(fā)射的射線穿過發(fā)光變換元件的路徑長度大體相等。正像經(jīng)常發(fā)生的那樣，當由半導體器件發(fā)射的光的精確色調要取決于該路徑的長度時，這個長度就會起到特別重要的作用。
為了改善圖2中的發(fā)光變換層4所發(fā)出的光的輸出耦合，可以在該器件的一個側面上設置一個透鏡狀的覆蓋體29(用虛線表示)，用來衰減發(fā)射光在發(fā)光變換層4內部的全反射。這個透鏡狀的覆蓋體29可以用透明塑料或玻璃制造，然后，例如粘結在發(fā)光變換層4上，或者直接制成作為發(fā)光變換層4的構件的整體結構。
在圖3所示的實施例中，第一和第二引線2、3是預埋在透光的或者預制的、開出一個缺口9的基座8中。所謂“預制”是指，在將半導體主體安裝在引線2上之前采用，例如注塑法預先將底座8連接在引線2，3上形成的成品結構。底座8是，例如由一種透光的塑料制成的，缺口9是按照其形狀作成在半導體主體工作期間用來反射所發(fā)射的射線之用的反射鏡(有時候通過缺口9內壁上的合適涂層)。這樣的底座8是作為對于安裝在其上面的發(fā)光二極管的導電板之用的。在安裝半導體主體之前是采用，例如注塑法將底座裝設在導電引線2、3的導電帶(引線框)上。
缺口9是用與一層發(fā)光變換層4分開單獨單獨制造、并且固定在底座8上的塑料制的蓋板17蓋住。適合做發(fā)光變換層4的材料仍然是在以上說明的通論部分中的所列的、摻有在該文中所列有關熒光劑的塑料或無機玻璃。該缺口9既可以用一種塑料、用一種無機玻璃或者用氣體充填，也可以抽成真空。
正像圖2中的實施例那樣，為了改善來自發(fā)光變換層4的光耦合，此處也可以在其上方設置一個透鏡狀的覆蓋體29(用虛線表示)，用來衰減在發(fā)光變換層4發(fā)射的光的全反射。這種覆蓋體可以用透明塑料制造，粘在，例如發(fā)光變換層4的上面，或者和發(fā)光變換層4共同作成一個整體結構。
如圖10所示，在一種特別優(yōu)先選用的制造形式中，缺口9用一種含有熒光劑的環(huán)氧樹脂、也就是說是用一種發(fā)光包殼5充填，形成發(fā)光變換元件的結構。在此情況下就可以省卻一個蓋板17和/或一個透鏡狀的覆蓋體29。此外，還有如圖13所示的另一種辦法，例如將第一導電引線2通過沖壓在半導體主體1的范圍以內作成一個反光鏡34的結構，中間用一種發(fā)光變換包殼5充填。
圖4所示是一種稱為徑向二極管的另一種制造方法的示例。圖中，半導體主體1是通過，例如焊接或粘結的方法，固定在用第一導電引線2作成的一種反光鏡結構部件16之中。這種外殼形狀的結構是在發(fā)光二極管工藝中慣用的形狀，所以在此處不再作詳細說明。
在圖4的實施例中的半導體主體1是用一種透明包殼15包住，正如在上述第二實施例(圖2)所示，不會使半導體主體1發(fā)射的射線的波長發(fā)生變化，可以采用，例如在發(fā)光二極管工藝中慣用的透明環(huán)氧樹脂或玻璃制造。
在這種透明的包殼15上面涂布一層發(fā)光變換層4。為此所用的材料仍然可以是在以上所述的實施例中采用的塑料或無機玻璃，再加上在該處所列的有關染料。
由半導體主體1、一部分導電引線2，3、透明包殼15和發(fā)光變換層4構成的整個結構直接用另一種透明包殼10包住。不會使透過發(fā)光變換層4發(fā)射的射線的波長發(fā)生變化。這種包殼仍然是，例如采用在發(fā)光二極管工藝中慣用的透明環(huán)氧樹脂或者無機玻璃制成的。
圖5所示的實施例與圖4中的主要不同之處在于，半導體主體1的未占用表面直接用一個發(fā)光變換包殼5包住，然后再用另一種透明包殼10包住。在圖5中，還作為示例繪出一個半導體主體1，其中不用下沿作接觸件、而是改用半導體多層結構7的另一個接觸面作接觸件，后者利用一條第二連接金屬線14與其所屬的導電引線2或3連接。不言而喻，也可以用本文介紹的其他實施例取代這樣的半導體主體1。反之，當然也可以將圖5中的實施例在前述實施例中使用。
還要在此處對于這種不言而喻的情況加以解釋，也可以將圖5所用的結構形狀比擬圖1實施例的辦法制成一個整體發(fā)光變換包殼5，從而取代將發(fā)光變換包殼5與另一個透明包殼10結合使用的辦法。
在圖6的實施例中，直接在半導體主體1上涂布一層發(fā)光變換層4(可用以上所列的材料)。該半導體主體1和一部分導電引線2，3用另一種透明包殼10包住，不會使透過發(fā)光變換層4發(fā)射的射線的波長發(fā)生變化。這種包殼仍然是，例如采用在發(fā)光二極管工藝中慣用的透明環(huán)氧樹脂或者無機玻璃制成的。
像這樣具有一層發(fā)光變換層4、但沒有包殼的半導體主體1當然還有利于完全采用在半導體工藝中慣用的外殼形狀(例如SMD外殼、徑向外殼(請參閱圖5))。
在圖14中所示的實施例是按照本發(fā)明的一個半導體器件，在半導體主體1上設置一個透明的槽形部件35，這就是在半導體主體1外面的一個包槽36。槽狀部件35，例如是用透明環(huán)氧樹脂或者無機玻璃制成的，并且，例如采用注塑法，將導電引線2，3連同半導體主體1包封在一起制成的。在這樣的包槽36中，包含涂有一層仍然是用環(huán)氧樹脂或無機玻璃制成的發(fā)光變換層4，其中摻有以上所列的無機熒光劑顆粒37。采用這種結構的有利條件在于，能以保證結構非常簡單，在半導體器件的制造過程中熒光劑不會聚集在預先未曾考慮到的，例如在半導體主體附近的部位。槽狀部件35當然也可以另行單獨制造，也可以改用，例如罩在半導體主體1上的辦法固定在一個外殼構件上。
在所有以上介紹的實施例中，為了使顏色介入發(fā)射光的程度達到最佳化，為了使其與發(fā)光變換元件(發(fā)光變換包殼5或發(fā)光變換層4)相適配，有時要在透明包殼15、和/或透明包殼10中摻入光散射顆粒，最為有利的是摻入擴散劑。作為這樣的擴散劑的示例是礦物性的填充劑，特別是CaF2、TiO2、SiO2、CaCO3或BaSO4，或者也可以用有機顏料。這些物料可以采用簡單的方法摻入上述的塑料之中。
圖7、8和12所示是半導體主體發(fā)射的一種藍光的發(fā)射光譜(圖7)(發(fā)光最大值在λ~430nm)或者采用一種這樣的半導體主體制成的發(fā)白光的、按照本發(fā)明的半導體器件(圖8及圖12)的發(fā)射光譜。在橫坐標上分別以nm為單位標注波長λ；在縱坐標上分別標注一種相對的電致發(fā)光(EL)強度。
圖7所示由半導體主體發(fā)射的射線僅只有一部分被變換成為波長較長的波長段，從而產(chǎn)生混合色的白光。在圖8中以虛線表示的曲線30是按照本發(fā)明的一種半導體器件的發(fā)射光譜，這種射線是由兩種輔助波長段(藍和黃)形成的，總體發(fā)射的是白光。圖中的光譜在大約400和430nm之間(藍)以及在大約550和580nm之間(黃)分別出現(xiàn)一個最大值。整條曲線31表示一個按照按照本發(fā)明的半導體器件的發(fā)射光譜，白色是由三種波長段(由藍、綠、紅構成的疊加三色)混合而成的。圖中的發(fā)射光譜例如在430nm左右(藍)、500nm左右(綠)和615nm左右(紅)處分別有一個最大值。
另外在圖11中示出發(fā)射由藍光(一種波長的最大值在大約470nm)和紅光(一種波長的最大值在620nm左右)構成的混合光的按照本發(fā)明的半導體器件的發(fā)射光譜。發(fā)射光對人眼的總色壓為品紅色。此處由半導體主體發(fā)射的發(fā)射光譜仍然相當于圖7所示。
圖12所示是一個發(fā)白光的、按照本發(fā)明的半導體器件，具備發(fā)射圖7所示發(fā)射光譜的半導體主體，其中所用的熒光劑是YAG:Ce。在半導體主體發(fā)射的射線中，只有一小部分被變換成波長較長的波長段，因而產(chǎn)生混合白光。圖8中用不同虛線繪制的曲線31至33是表示按照本發(fā)明的半導體器件的發(fā)射光譜。發(fā)光變換元件，其中的發(fā)光變換元件是用環(huán)氧樹脂制成的，含有不同濃度的YAG:Ce。每個發(fā)射光譜分別在蘭色光譜段的λ＝420nm和λ＝430之間、在綠色光譜段的λ＝520和λ＝545之間出現(xiàn)一個強度最大值，其中含有一個較長波長的強度最大值的發(fā)射波段的一大部分都處于黃色光譜段。由圖12曲線中明顯可見，采用按照本發(fā)明的半導體器件只要簡單地通過改變環(huán)氧樹脂中的熒光劑的濃度，就能夠改變白光中的CIE-色位。
另外，還可以將摻有Ce的石榴石、硫代沒食子酸、堿土金屬-硫化物鋁酸鹽直接涂在半導體主體上，不必將其分散在環(huán)氧樹脂或玻璃中。
上述無機熒光劑的另外的一個特殊優(yōu)點在于，熒光劑在例如環(huán)氧樹脂中的濃度不會像有機熒光劑那樣要受溶解度的約制。因而不需要用很厚的發(fā)光變換元件。
借助上述實施例對于按照本發(fā)明半導體器件的說明當然不會將按照本發(fā)明局限在這些實施例上。在示例中是以發(fā)光二極管芯片或激光二極管芯片作為半導體主體的示例，還可以理解為，例如是一個發(fā)射相應光譜的聚合物LED。
權利要求
1.發(fā)光半導體器件，具有一個半導體主體(1)，其在半導體器件工作時發(fā)射電磁射線；具有至少一個第一引線和至少一個第二引線(2，3)，其與半導體主體(1)作導電連接；還具有一個至少含有一種熒光劑的發(fā)光變換元件，其特征在于半導體主體(1)含有一個半導體多層結構(7)，其適合于在半導體器件工作時發(fā)射由紫外、藍和/或綠色光譜段形成的第一波長段，發(fā)光變換元件將來自第一波長段發(fā)射的射線變換成與第一波長段不同的第二波長段的射線，從而使該半導體器件發(fā)射由第一波長段的射線和第二波長段的射線形成的混合射線。
2.如權利要求1的發(fā)光半導體器件，其特征在于，發(fā)光變換元件將第一波長段的射線變換成由多種各不相同的光譜段形成的第二波長段的射線，從而使該半導體器件發(fā)射由第一波長段的射線和第二波長段形成的混合射線。
3.如權利要求1的發(fā)光半導體器件，其特征在于，沿著從半導體器件的主發(fā)射方向觀察，發(fā)光變換元件主要是沿著半導體主體(1)配置的。
4.如權利要求1至3之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，在半導體主體(1)的上方或上面至少具有一層發(fā)光變換層(4)，作為發(fā)光變換元件之用。
5.如權利要求1至3之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，具有一個發(fā)光變換包殼(5)，其至少包住半導體主體(1)的一部分以及導電引線(2，3)的部分線段，以此作為發(fā)光變換元件之用。
6.如權利要求1至5之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，第二波長段至少包括一部分波長λ大于第一波長段的波長的部分。
7.如權利要求1至6之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，半導體主體(1)在工作狀態(tài)中發(fā)射紫外線，發(fā)光變換元件至少將該紫外線的一部分變換成可見光。
8.如權利要求1至7之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，在混合射線中的第一波長段和第二波長段中至少有一部分是互補色，所以產(chǎn)生白光。
9.如權利要求2以及權利要求2與權利要求3至7之一相結合的發(fā)光半導體器件，其特征在于，由半導體主體發(fā)射的第一波長段和兩個第二波長段產(chǎn)生的疊加三重色，從而使半導體器件在工作中發(fā)射白色光。
10.如權利要求1至9之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，由半導體主體(1)發(fā)射的射線中的蘭色光譜段在λ＝430nm或在λ＝450nm處有一個發(fā)光強度最大值。
11.如權利要求1至10之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，半導體主體(1)設置在一個透光底座(8)的一個缺口(9)中，缺口(9)具有一層含有發(fā)光變換層(4)的覆蓋層。
12.如權利要求1至11之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，半導體主體(1)設置在一個透光底座(8)的一個缺口(9)中，缺口(9)至少有一部分用發(fā)光變換元件充填。
13.如權利要求1至12之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，發(fā)光變換元件具有不同波長變換性能的多層疊層。
14.如權利要求1至13之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，發(fā)光變換元件在一種塑料基體中、特別是在由硅樹脂材料、熱塑性塑料材料或硬質塑料材料制成的塑料基體中含有有機染料分子。
15.如權利要求14的發(fā)光半導體器件，其特征在于，發(fā)光變換元件在環(huán)氧樹脂基體中含有有機染料分子。
16.如權利要求14的發(fā)光半導體器件，其特征在于，發(fā)光變換元件在聚甲基丙稀酸甲酯基體中含有有機染料分子。
17.如權利要求1至13之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，發(fā)光變換元件(4，5)至少含有磷族元素的無機熒光劑(6)。
18.如權利要求17的發(fā)光半導體器件，其特征在于，無機熒光劑是用摻雜Ce元素的石榴石制成的。
19.如權利要求18的發(fā)光半導體器件，其特征在于，無機熒光劑是YAG:Ce。
20.如權利要求17至19之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，無機熒光劑是摻在環(huán)氧樹脂基體之中的。
21.如權利要求17至19之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，無機熒光劑是摻在一種低熔融溫度的無機玻璃基體之中的。
22.如權利要求20或21的發(fā)光半導體器件，其特征在于，無機熒光劑的平均粒度約為10μm。
23.如權利要求1至22之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，在發(fā)光變換元件中含有多種不同的有機和/或無機熒光劑(6)。
24.如權利要求1至23之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，在發(fā)光變換元件中含有具有以及不具有波長變換作用的多種不同的有機和/或無機染料分子。
25.如權利要求1至24之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，在發(fā)光變換元件和/或一種透明包殼(10，15)中含有光散射顆粒。
26.如權利要求1至25之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，在發(fā)光變換元件中含有一種或多種發(fā)光的4價有機金屬化合物。
27.如權利要求1至26之一的發(fā)光半導體器件，其特征在于，在發(fā)光變換元件和/或一種透明包殼(10，15)中至少含有一種發(fā)藍光的熒光劑。
28.按照權利要求1至27之一的一種多個發(fā)光半導體器件在全色LED顯示裝置中的應用。
29.按照權利要求1至27之一的一種多個發(fā)光半導體器件在飛機艙內部空間照明的應用。
30.按照權利要求1至27之一的一種發(fā)光半導體器件在顯示裝置中，特別是在液晶裝置中用于照明的應用。
全文摘要
發(fā)光半導體元件，具有發(fā)射射線的半導體主體(1)和一個發(fā)光變換元件(4，5)。半導體本體(1)發(fā)射光譜段在紫外、藍和/或綠段的射線，發(fā)光變換元件(4，5)將這種射線的一部分變換成波長較長的射線。從而能夠通過一個單個的發(fā)光半導體主體，將原來發(fā)射混合色的發(fā)光二極管制成專門發(fā)射白光的發(fā)光二極管。特別推薦將YAG:Ce作為發(fā)光變換染料之用。
文檔編號H01L33/50GK1917240SQ200610101860
公開日2007年2月21日 申請日期1997年6月26日 優(yōu)先權日1996年6月26日
發(fā)明者U·雷, K·赫恩, N·斯塔施, G·韋特, P·施洛特, R·施米特, J·施奈德 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導體股份有限兩合公司