半导体发光设备

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半导体发光设备\n技术领域\n[0001] 本发明涉及半导体发光设备，具体地说，涉及具有多个半导体发光元件和包括诸如磷的波长转换材料的波长转换层的半导体发光设备。\n背景技术\n[0002] 近来，包括典型发光二极管的半导体发光元件在高功率和高亮度方面已经进行了改进。结合这种改进，可以将这种半导体发光元件应用至包括一般照明、街灯、头灯等的照明设备。近年来，提供了可以包括具有不同发射波长的多种类型的半导体发光元件的照明设备，并且针对相应半导体发光元件来调节驱动条件，以便整体改变色温。\n[0003] 作为这种能改变色温的照明设备的结构的示例，日本专利申请特开No.2007-059260中提出了一种照明设备。在该公报中，照明设备包括日光半导体发光元件、白炽色半导体发光元件、以及绿色半导体发光元件。该照明设备借助于绿色半导体发光元件可以发射色温范围在日光色到白炽灯色之间的光(在黑体辐射轨迹上)。在另一构造中，组合使用白炽色半导体发光元件和蓝色半导体发光元件，以发射色温范围从日光色到白炽灯色线性变化的光。\n发明内容\n[0004] 然而，在日本专利申请特开No.2007-059260中公开的照明设备需要复杂的驱动器件，以各自独立地驱动具有不同发射波长的多个半导体发光元件。除了这点以外，还必须均匀地混合来自相应半导体发光元件的发射光色。为此，应当以较高密度集成这些半导体发光元件。即使以较高密度集成半导体发光元件，照明设备的小型化也具有特定限制。为了通过色彩混合而实现色彩的均匀度，需要包括反射器、光散射板、透镜等的其它光学组件。\n然而，该照明设备的尺寸和成本可能增加。\n[0005] 在日本专利申请特开No.2007-059260中公开的照明设备是组合利用单色辅助光源的系统。在这个系统中，全部半导体发光元件不能总是以最大额定电流驱动。而且，该系统需要组合的单色辅助光源。这种构造可能增加其成本并且需要复杂的控制电路。而且，该辅助光源本身不能发射白光。\n[0006] 鉴于这些和其它问题并且结合常规技术而设计了本发明。根据本发明的一个方面，半导体发光设备可以利用简单且较小的构造来改变其发射光的色温。\n[0007] 根据本发明的另一方面，半导体发光设备可以总是以其最大额定电流来驱动其半导体发光元件，因此，可以以高强度且高效方式来发射光同时可以按恰当方式改变发射光的色温。\n[0008] 根据本发明制成的半导体发光设备可以包括：具有电极布线的基板；安装在所述基板的所述电极布线上的多个半导体发光元件，所述半导体发光元件被分组成至少两组；\n以及波长转换层，其被构造成对从所述多个半导体发光元件发射的光的至少一部分进行波长转换，所述波长转换层具有与所述半导体发光元件的相应两组或更多组相对应的不同厚度部分并且被形成为一体。\n[0009] 根据本发明制成的半导体发光设备可以通过改变一体形成在分组的半导体发光元件上的波长转换层的厚度而准确地生成具有不同色温的发射光。可以各自独立地驱动分组的半导体发光元件，以使其准确地发射具有不同可调色温的照明光。\n[0010] 另外，可以提供这样一种高度可靠的半导体发光设备，即，其不存在由于颜色因相应半导体发光元件的不同温度依赖性在点亮时间(lighting-up time)偏离原色而造成的问题。\n[0011] 根据本发明制成的半导体发光设备可以具有相同类型的半导体发光元件。在一些常规设备中，存在与单独半导体发光元件的电气特性和/或光学特性中的差异相关联的问题，其中，这些特性可能在点亮时间相对于原始特性改变。根据本发明制成的半导体发光设备可以消除这些问题并且提供高可靠性。\n[0012] 在根据本发明制成的半导体发光设备中采用的多个半导体发光元件可以具有相同组成。\n[0013] 当半导体发光元件具有相同组成以发射具有相同波长的光时，可以仅通过在相应区域处按厚度调节波长转换层来整体改变来自该设备的照明光，以容易地提供在期望色温范围内的所需色温。\n[0014] 在根据本发明制成的半导体发光设备中，可以按厚度改变基板的用于在其上安装半导体发光元件的安装部分。这种构造可以在半导体发光元件上设置波长转换层的不同厚度。\n[0015] 即，对于半导体发光元件的组中的每一组来说，通过改变基板的用于安装相应半导体发光元件的部分的厚度，可以改变波长转换层的相应部分的厚度。\n[0016] 可以通过各向异性蚀刻工序等来加工由硅制成的基板，以改变基板的用于安装相应半导体发光元件的部分的厚度。\n[0017] 当基板由陶瓷形成时，可以通过干刻工序、电镀工序等来加工该基板，以改变基板的用于安装相应半导体发光元件的部分的厚度。\n[0018] 在根据本发明制成的半导体发光设备中，多个半导体发光元件可以被电连接，以使其被一组接一组地驱动。\n[0019] 这种构造可以各自独立地驱动相应组的半导体发光元件，使得可以容易地调节照明光的色温。\n[0020] 根据本发明，可以提供具有简单构造的小尺寸半导体发光设备，该半导体发光设备可以容易地改变照明光的色温。\n[0021] 各个半导体发光元件可以根据色温规格而在其上设置有波长转换层的相应部分。\n因此，可以以最大额定电流驱动半导体发光元件，并且可以提供能够发射具有较大光量的光的高效半导体发光设备。\n附图说明\n[0022] 参照附图，根据下面的描述，本发明的这些和其它特性、特征以及优点将变得清楚，其中：\n[0023] 图1是示出根据本发明制成的第一示例性实施方式的半导体发光设备的构造的截面图；\n[0024] 图2是本发明采用的示意性电路图；\n[0025] 图3是示出第一示例性实施方式的应用示例的半导体发光设备的构造的截面图；\n[0026] 图4是示出来自第一示例性实施方式的半导体发光设备的照明白光的范围的色度图；\n[0027] 图5A到5C是如图4的色度图所示的两端和中间标绘数据的发射光谱的图；\n[0028] 图6是示出第一示例性实施方式的半导体发光设备的相对光量的图；\n[0029] 图7是示出根据本发明制成的第二示例性实施方式的半导体发光设备的构造的截面图；\n[0030] 图8是示出第二示例性实施方式的应用示例的半导体发光设备的构造的截面图；\n以及\n[0031] 图9是示出用于照明的白光的范围的图。\n具体实施方式\n[0032] 下面，根据示例性实施方式，参照附图，对本发明的半导体发光设备进行描述。应注意到，数值范围的两个边界值都包含在内(包括该范围的最大值和最小值)。\n[0033] [第一示例性实施方式]\n[0034] 下面，参照图1，对第一示例性实施方式进行描述，该图1是半导体发光设备10的截面图。\n[0035] 半导体发光设备10可以包括：基板12，形成在基板12上的电极布线14，安装在布线14上的多个(在该例示的示例中为四个)半导体发光元件16a、16b、16c和16d，以及包围半导体发光元件16a、16b、16c和16d的波长转换层18。应注意到，下面可以将半导体发光元件16a、16b、16c和16d统称为“半导体发光元件16”。\n[0036] 基板12可以由硅、陶瓷、设置有电路图案的金属板等形成。基板12在半导体发光元件16的安装部分上具有预先通过微加工技术等而形成的预定台阶h。当基板由硅形成时，通过各向异性蚀刻技术或选择性湿刻工序来形成台阶h，以在基板12上按微米级形成它。当基板由陶瓷或金属板形成时，通过气相干刻或电镀工序来加工基础材料或电极材料，以在基板12上形成台阶h。\n[0037] 可以将电极布线14形成在用于半导体发光元件16的安装部分上。这些半导体发光元件16a、16b、16c和16d安装在基板12的相应安装部分上，以电连接至电极布线14。经由电极布线14从外部向半导体发光元件16a、16b、16c和16d提供驱动电流以使其被驱动。\n根据待安装的半导体发光元件16的设置、数量等，电极布线14可以具有恰当图案。\n[0038] 在本示例性实施方式中，由于在基板12上形成了台阶h，因而，从基板12的背面至半导体发光元件16a、16c的表面的距离和从基板12的背面至半导体发光元件16b、16d的表面的距离彼此相差了与基板12上的台阶高度h相对应的高度差h。针对半导体发光元件\n16的高度差h可以通过对基板12上的台阶h进行精细微加工而精确控制。\n[0039] 在这个实例中，可以将安装在基板12上的多个半导体发光元件16a、16b、16c和\n16d分组。在本示例性实施方式中，根据从基板12的背面至元件16的上表面的高度对它们进行分组。将半导体发光元件16a、16c安装在没有台阶的安装部分上，并因此它们构成了第一半导体发光元件组。另一方面，将半导体发光元件16b和16d安装在具有台阶h的安装部分上，并因此它们构成了第二半导体发光元件组。\n[0040] 半导体发光元件16可以是蓝色LED并且由元件基板和具有形成在该元件基板上的发光部分的半导体外延层组成。根据发射光的色调，半导体外延层可以由诸如GaN基材料、AlGaInP基材料等的合适半导体材料形成。\n[0041] 波长转换层18例如由波长转换材料和热塑性树脂等组成。波长转换材料可以被从半导体发光元件16发射出的光激发，并且发射具有与来自半导体发光元件16的光不同的波长的光，由此对该光进行波长转换。波长转换材料可以是在考虑期望半导体发光设备\n10的所需颜色或光量时可以确定其类型的磷。例如，当需要设备采用蓝色LED时，磷的示例包括YAG磷、硅酸基磷(silicate phosphor)等。\n[0042] 可以通过涂敷、印制等形成波长转换层18。例如，通过在全部半导体发光元件\n16a、16b、16c和16d上施加模板(stencil)来涂敷包含磷的热固树脂，以使它们成为一体。\n因此，形成包围半导体发光元件16a、16b、16c和16d的、具有大致相同组成的波长转换层\n18。而且，基板12的背面与波长转换层18的上表面的高度恒定。因为预先在基板12上形成台阶h，所以安装在较高部分上的第二半导体发光元件组上的波长转换层的部分的厚度比第一半导体发光元件组上的波长转换层的部分的厚度薄台阶h的厚度。\n[0043] 波长转换层18可以通过将含磷树脂注入围绕多个半导体发光元件组而设置的壁内并固化该树脂来形成。在这些情况下，可以通过一道树脂施加或注入工序来形成具有不同厚度部分的波长转换层。\n[0044] 下面，对来自这样构造的半导体发光设备10的光发射进行描述。从第一半导体发光元件组发射的光是由从半导体发光元件16a和16c发射的光和被波长转换层18进行波长转换的光所组成的混合光。从第二半导体发光元件组发射的光是由从半导体发光元件\n16b和16d发射的光和被波长转换层18进行波长转换的光所组成的混合光。\n[0045] 半导体发光元件16和波长转换层18的组合由蓝色LED和YAG或硅酸基磷组成，但本发明不限于此。在本示例性实施方式中，波长转换层18包围半导体发光元件16。可以在波长转换层18与半导体发光元件16之间设置透光树脂。\n[0046] 一体地形成波长转换层18，以使其具有磷的均匀密度分布。磷的均匀密度分布可以有助于通过厚度调节而容易地调节色温。在本示例性实施方式中，来自第一半导体发光元件组的光由于波长转换层18的厚度差h而在色温上不同于来自第二半导体发光元件组的光。第一半导体发光元件组上的波长转换层18的厚度比第二半导体发光元件组上的波长转换层18的厚度厚。因此，来自第一半导体发光元件组的光被波长转换层18进行了更多的波长转换，由此获得具有在来自波长转换材料的光的色温附近偏移的色温的发射光。\n[0047] 波长转换层18的部分之间的厚度差h可以由基板12的通过微加工而精确地形成的相应台阶h而精确地控制。属于同一组的半导体发光元件上的波长转换层18可以发射相同的期望光色。因此，本发明可以部分地改变分组的半导体发光元件上的波长转换层18的厚度，以分别精确地生成具有不同色温的发射光色。因而，可以实现便于色温调节的半导体发光设备10的构造。\n[0048] 可以容易地一体制造波长转换层18，以便于制造色温可变半导体发光设备。尽管波长转换层18具有不同厚度部分，但也可以用单个步骤来制造它。因此，色温可变半导体发光设备可以用较少步骤来提供。\n[0049] 而且，由于可以在单个基板上形成具有不同厚度部分的波长转换层18，因而针对这个目的，较少的步骤也是足够的。由于可以利用一体形成的波长转换层18来实现精确的颜色控制，因而可以减小半导体发光元件之间的距离。这种构造可以便于更均匀地混合颜色。\n[0050] 图2示出了根据如图1所示的第一示例性实施方式的色温可变半导体发光设备的电路构造。将半导体发光元件16a和16c安装在单个基板上，以串联电连接至电极布线\n14a。将半导体发光元件16b和16d安装在基板上，以串联电连接至电极布线14b。电极布线14a和14b分别连接至DC源20a和20b。可以将这种电路构造用于各自独立地驱动半导体发光元件16a和16c、16b和16d。\n[0051] DC源20a和20b电连接至控制器22。控制器22可以控制针对半导体发光元件16a、\n16b、16c和16d的总供给功率，并且还各自独立地调节针对半导体发光元件16a和16b、16c和16d的光量。因此，可以容易地改变半导体发光设备的色温，同时可以将针对半导体发光设备的总供给功率保持恒定。\n[0052] 即，半导体发光元件16a、16b、16c和16d可以根据所需色温而设置有具有相应厚度的相应波长转换层部分，并且半导体发光设备可以以最大额定电流来驱动。因此，当与日本专利申请特开No.2007-059260中所公开的利用单色发光元件的系统相比时，根据本发明制成的半导体发光设备可以被实现为具有高光量和高效率。\n[0053] 图3是例示第一示例性实施方式的修改的截面图。除了设置了多个台阶h1和h2以外，该修改具有与第一示例性实施方式的构造相同的构造。通过增加与第一示例性实施方式相同的工序步骤而可将基板12的台阶h1和h2形成在基板12上，由此，形成多个台阶。\n这样，可以与精确加工的台阶h1和h2相对应地调节波长转换层18的厚度差h1和h2。\n[0054] 在该修改中，可以将安装在基板12上的多个半导体发光元件16a、16b和16c分组成三组。在这种情况下，半导体发光元件16a构成第一半导体发光元件组，半导体发光元件\n16b构成第二半导体发光元件组，而半导体发光元件16c构成第三半导体发光元件组。波长转换层18在分别包括半导体发光元件16a到16c的相应组上具有不同厚度区域。\n[0055] 在该修改中，多个台阶h(h1和h2)可以生成包括如第一示例性实施方式所示的发射光色和中间发射光色成分的组合的各种光色。而且，该修改可以在接通全部半导体发光元件16时改进颜色不均匀性。在该修改中，例如，针对整个半导体发光设备可以接通三个组当中的相邻半导体发光元件16a和16b，以发射具有中间色的光。根据使用环境、消耗功率等，可以恰当地选择组合。形成在基板12上的设置台阶h的数量越多，半导体发光设备\n10可以在颜色上实现更少的不均匀性。\n[0056] 下面，对可以将具有图1的构造的设备用于发射白光(伪白光)的情况进行描述。\n使用GaN基发光二极管，以作为半导体发光元件16而安装在基板12上，这些二极管具有相同组成、相同形状以及相同尺寸并且发射相同蓝光。由于波长转换层18中包含波长转换材料，因而使用YAG基磷。YAG基磷可以被来自蓝色LED的蓝光激发，以发射黄光。\n[0057] 在这种情况下，来自具有薄波长转换层18的第二半导体发光元件组的光是具有大约7000K色温的淡蓝色白光。另一方面，来自具有厚波长转换层18的半导体发光元件组的光是具有大约3000K色温的淡黄色白光。这可以与具有均匀浓度分布的磷成比例地(或者与半导体发光元件16上的沿发光方向的磷量成比例地)获得。具体来说，来自第二半导体发光元件组的光由于通过波长转换层18转换的光波长的小比率而向来自半导体发光元件的光的原色偏移。来自第一半导体发光元件组的光由于通过波长转换层18转换的光波长的大比率而向来自波长转换材料的光的颜色偏移。\n[0058] 因为可以精确地形成基板12上的台阶h，所以在安装在同一高度上的半导体发光元件上形成的波长转换层部分可以发射彼此均匀的光。\n[0059] 可以例如根据所使用的半导体发光元件的尺寸来确定波长转换层18的部分的厚度。例如，当半导体发光元件16具有1mm的外侧和100μm的厚度时，第二半导体发光元件组上的波长转换层18的部分的厚度可以处于20μm到200μm的范围中(近似地，元件侧的尺寸的1/50到1/5)。第一半导体发光元件组上的波长转换层18的部分的厚度可以处于\n50μm到500μm的范围中(近似地，元件侧的尺寸的1/20到1/2)。这样，可以在用于在黑体辐射轨迹上照明的白色范围内整体调节从半导体发光设备发射的光。\n[0060] 当波长转换层18的厚度小于元件侧的尺寸的1/50时，当接通元件组时蓝色成分太多。在这种情况下，发射的光可能处于用于照明的白色范围之外。\n[0061] 当波长转换层18的厚度大于元件侧的尺寸的1/2时，当接通元件组时黄色成分太多。在这种情况下，发射的光可能也处于用于照明的白色范围之外。\n[0062] 鉴于这种情况并且考虑到用于照明的白色范围，波长转换层18的厚度可以处于元件侧的尺寸的1/50到1/2的范围中。\n[0063] 图9示出了用于照明的白色范围。如图9所示，例如根据针对按色度分级的荧光灯的JIS Z9112、和针对车辆头灯的白光的SEA来确定用于相应照明目的的指定白色范围。\n根据本发明而制成的半导体发光设备可以仅通过调节波长转换层的厚度而实现具有适用于指定白色范围的恰当色温的各种发射光色。\n[0064] 图4示出了在下列条件下发射光色的变化的几个示例。\n[0065] 具有图1的构造的半导体发光设备被设计成使得台阶h为200μm，第二半导体发光元件组上的波长转换层的厚度为100μm，第一半导体发光元件组上的波长转换层的厚度为300μm，并且半导体发光元件具有1mm的外侧和100μm的厚度。\n[0066] 当使要向半导体发光设备提供的总功率量恒定而改变要向第一和第二半导体发光元件组中的每一组施加的电流时，在图4的图中标绘出了发射光色中的变化。\n[0067] 下左标绘图表示当仅接通第二半导体发光元件组时的值。上右标绘图表示当仅接通第一半导体发光元件组时的值。接着，将第一与第二半导体发光元件组之间的电流施加比从0∶100(％)变化为100∶0(％)。结果，如图4所示，来自半导体发光设备的发射光色的标绘图可以将下左标绘图连接至上右标绘图。\n[0068] 因此，如果将波长转换层的厚度调节成使得下左标绘图和上右标绘图的值保持在用于照明的指定白色范围内，则来自半导体发光设备的发射光色(色温)可以仅通过改变向各个半导体发光元件组施加的电流而在用于照明的白色范围内自由改变。\n[0069] 图5A到5C示出了按上右位置、下左位置或其间的中间位置标绘颜色的光的发射光谱。具体来说，图5A是针对下左标绘图处的光的发射光谱，图5B是针对中间标绘图处的光的发射光谱，而图5C是针对上右标绘图处的光的发射光谱。\n[0070] 如图5A所示，针对下左标绘图处的光的图形示出了来自半导体发光元件的蓝光的相对强度高于来自波长转换层(材料)的黄光的相对强度。在这种情况下，由此清楚地理解，整个半导体发光设备可以发射淡蓝色白光。\n[0071] 如图5C所示，针对上右标绘图处的光的图形示出了来自半导体发光元件的蓝光的相对强度低于来自波长转换层(材料)的黄光的相对强度。因此，在这种情况下，整个半导体发光设备可以发射淡黄色白光。\n[0072] 如图5B所示，针对中间标绘图处的光的图形示出了来自半导体发光元件的蓝光的相对强度与来自波长转换层(材料)的黄光的相对强度几乎相同。在这种情况下，由此清楚地理解，整个半导体发光设备可以发射没有色移的伪白色光。\n[0073] 图6示出了在与参照图4描述相同的条件下，当提供恒定功率同时施加至第一和第二半导体发光元件组的电流比从100∶0变化到0∶100时，整个半导体发光设备的光量变化。如图6所示，即使改变电流比，本发明的半导体发光设备也可以在不降低光量的情况下发射光。在这种情况下，所使用的半导体发光元件具有相同组件并且利用相同驱动电流来驱动。因此，可以简化驱动方法。因为没有整体改变来自半导体发光设备的光量，所以从各个半导体发光元件发射的最大光量被完全用于照明。\n[0074] [第二示例性实施方式]\n[0075] 参照图7，对本发明的第二示例性实施方式进行描述，该图7是半导体发光设备10的截面图。应注意到，与第一示例性实施方式相同的组件用相同标号来表示，并且适当省略了其描述。\n[0076] 半导体发光设备10可以包括：基板12，形成在基板12上的电极布线14，安装在布线14上的多个(在该例示的示例中为四个)半导体发光元件16a、16b、16c和16d，包围半导体发光元件16a、16b、16c和16d的波长转换层18。在第二示例性实施方式的半导体发光设备10中，用于形成波长转换层18的部分的高度差h的构造不同于第一示例性实施方式。\n在第二示例性实施方式中，台阶h不是形成在基板12上，而是形成在波长转换层18的最外侧表面上。\n[0077] 在如第一示例性实施方式中的本示例性实施方式中，可以将安装在基板12上的多个半导体发光元件16a、16b、16c和16d分组成两个或更多个组。半导体发光元件16a和\n16c可以构成第一半导体发光元件组，而半导体发光元件组16b和16d可以构成第二半导体发光元件组。在本示例性实施方式中，波长转换层18的与设置在相同水平面上的第一和第二半导体发光元件组相对应的部分的厚度彼此不同。因此，在波长转换层18的与元件组相对应的最外侧表面上形成台阶h。\n[0078] 下面，对如何在波长转换层18的最外侧表面上形成台阶h进行描述。例如，首先，通过模板印制工序来施加包含特定磷的热固树脂，以形成覆盖元件16a到16c的周围区域的波长转换层18。所形成的波长转换层具有大致的长方体，并由此，从基板12的背面到波长转换层的上表面的距离恒定。\n[0079] 接着，仅将第二模板印制工序应用至构成第二组的半导体发光元件16b和16d，以在其上形成具有台阶h的波长转换层18。这种构造因不需要加工基板12以形成台阶而可以减少基板12的制造成本。\n[0080] 应注意到，本发明不仅可以采用模板印制工序，而且可以采用用于在波长转换层的表面上形成台阶h的相似方法。\n[0081] 图8是示出第二示例性实施方式的修改的构造的截面图。该修改适于具有不透明基板和具有形成或设置在该不透明基板上的发光部分的半导体外延层的半导体发光元件\n16。\n[0082] 在该修改中，半导体发光设备10可以包括：基板12，形成在基板12上的电极布线\n14，安装在布线14上的多个(在该例示的示例中为四个)半导体发光元件16a、16b、16c和\n16d，形成在半导体发光元件16a、16b、16c和16d的上表面上的波长转换层18。\n[0083] 在这种情况下，从发光部分发射的光不能穿过不透明基板。因此，光不能从半导体发光元件16的侧面发射，这意味着侧面不能是发光表面。\n[0084] 因此，不需要将波长转换层18设置成完全覆盖半导体发光元件16并包括其侧表面。在图8所示的例示的示例中，半导体发光设备10可以通过仅覆盖半导体发光元件16的上表面来发射具有可变色温的光。\n[0085] 可以各自独立地模制波长转换层18，以预先具有精确台阶。可以将预先制造的波长转换层18定位至元件组，以便于制造步骤。\n[0086] 本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的本发明的修改和变型。上述所有相关技术参考以引证的方式并入其全部内容。