CN101523622A - 光电子器件 - Google Patents

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Abstract

描述了一种光电子器件，该光电子器件包括至少一个半导体本体(1)以及壳体(4)，所述至少一个半导体本体(1)具有用于产生电磁辐射的有源区域(2)，该壳体(4)带有在辐射方向上被置于有源区域(2)之后的过滤元件(5)，其中该过滤元件(5)对具有预给定初级辐射特性的初级辐射部分(7)选择性地进行透射。

Description

光电子器件
本专利申请要求德国专利申请10 2006 046 277.7的优先权，该德国专利申请的公开内容通过回引结合于此。
本发明涉及一种带有至少一个半导体本体的光电子器件，所述至少一个半导体本体具有用于产生电磁辐射的有源区域。这样的器件可例如被实施为发光二极管(LED)。传统的发光二极管通常发射不相干的非偏振辐射。
本发明的任务是对由开头提到的类型的例如LED的器件所发射的辐射鉴于预给定的辐射特性进行选择。尤其是应产生尽可能高份额的预给定辐射特性的辐射。
通过根据权利要求1所述的光电子器件解决该任务。本发明的有利的扩展方案为从属权利要求的主题。
根据本发明设置了一种带有至少一个半导体本体的光电子器件，该至少一个半导体本体包含用于产生电磁辐射的有源区域，其中该器件具有带有被置于有源区域之后的过滤元件的壳体，该过滤元件对带有预给定的初级辐射特性的初级辐射部分选择性地进行透射。
该初级辐射特性可以例如涉及初级辐射部分的偏振、波长或/和方向。
在该光电子器件的有利的改进方案中，此外由过滤元件对带有与初级辐射特性不同的次级辐射特性的次级辐射部分进行反射。优选地，实现次级辐射部分的反射来使得：次级辐射部分被反射回半导体本体中，并在那受到偏转过程和/或吸收和二次发射过程，并且被偏转的或被二次发射的辐射重新射到过滤元件上。通过上述过程有利地提高了带有预给定的初级辐射特性的辐射部分，并且因此提高了由过滤元件总共透射的初级辐射部分。
初级辐射特性优选地与次级辐射特性互补。这意味着：初级辐射特性和次级辐射特性涉及相同的物理特性(例如偏振)并相互排斥，诸如线性偏振的辐射中的偏振方向相互正交时即为这种情况。
在光电子器件中，该过滤元件可被构造为二向色性滤光器。在这样的二向色性滤光器中，其波长位于预给定的波长范围中的初级辐射部分被透射，而波长在预给定的波长范围之外的次级辐射部分被吸收或者优选地被反射。
在光电子器件的其它变型中，过滤元件被实施为偏振滤光器，以致具有预给定的偏振特性的初级辐射部分被透射，而带有与此不同的偏振特性(例如互补的偏振)的次级辐射部分被吸收或者优选地被反射。
在光电子器件的另一变型中，过滤元件被实施为方向滤光器(Richtungsfilter)，以致具有预给定的辐射方向(Abstrahlsrichtung)的初级辐射部分被过滤元件透射，而带有与预给定的辐射方向不同的传播方向的次级辐射部分在过滤元件中被吸收或者被反射。
很大程度上也可对示例性说明的光电子器件中的滤光器的变型进行组合。这样可以例如通过方向滤光器与偏振滤光器的组合引起：所透射的初级辐射部分具有预给定的传播方向和预给定的偏振。
在所有上述滤光器的变型中，次级辐射部分优选地被反射回发出辐射的半导体本体中，并在那受到偏转过程或者吸收过程和二次发射过程，以致被耦合输出的初级辐射部分有利地整体被提高。
在过滤元件作为方向选择性的滤光器的实施变型中，该过滤元件可具有在辐射方向方面引起对所发射的辐射进行滤光的结构元件。这些结构元件可例如圆锥形地、三角锥状地或棱柱状地被构造并且在很大程度上被布置为二维栅格的形式。
在该光电子器件中，发出辐射的半导体本体优选地被实施为薄膜半导体本体。
薄膜半导体本体的特征尤其是在于如下表征性特性中的至少一个：
-在产生辐射的外延层序列的朝向支承元件的第一主面上，涂敷或构造反射层，该反射层将至少一部分在外延层序列中产生的电磁辐射反射回该外延层序列中；
-该外延层序列具有在20μm或更小范围内的厚度，尤其是具有在10μm范围内的厚度；以及
-该外延层包含至少一个带有至少一个具有混匀结构(Durchmischungsstrunktur)的面的半导体层，该混匀结构在理想情况下导致光在外延式外延层序列中的近似各态历经的分布，即其具有尽可能各态历经的随机散射特性。
例如在I.Schnitzer等人的“Appl.Phys.Lett.”(63(16)，1993年10月18日)的第2174-2176页中描述了薄膜发光二极管芯片的基本原理，这些页的公开内容就此而言通过回引结合于此。
薄膜发光二极管芯片是朗伯特表面辐射器的良好的近似，并且尤其适于前灯应用和投影应用。
在该光电子器件中，反射层优选地被布置在有源层序列的与过滤元件相对的侧上。该反射层可例如包含金属材料和/或透明导电氧化物、例如金属氧化物。优选地，反射层被布置在半导体本体之外。
优选地，半导体本体被固定在支承元件上。在上述反射层的情况下，该反射层被定位在该半导体本体与支承元件之间。
半导体本体、优选地有源区域可包含基于磷化物的化合物半导体材料。该化合物半导体材料尤其是具有组分AlnGamIn1-n-mP，其中0≤n≤1、0≤m≤1和n+m≤1。
可替换地，半导体本体、优选地有源区域可包含基于砷化物的化合物半导体材料。该化合物半导体材料尤其是具有组分AlnGamIn1-n-mAs，其中0≤n≤1、0≤m≤1和n+m≤1。
根据其它可能性，半导体本体、优选地有源区域可包含基于氮化物的化合物半导体材料。该化合物半导体材料尤其是具有组分AlnGamIn1-n-mN，其中0≤n≤1、0≤m≤1和n+m≤1。
可替换地，半导体本体可包含基于氧化锌的化合物半导体材料，半导体本体特别优选地包含MgZnCdO。
过滤元件优选地包含玻璃材料。
可替换地，过滤元件可包含蓝宝石、透明晶体或石英。
根据其它可能性，过滤元件可包含透明陶瓷，例如包含Al2O3。
可替换地，过滤元件可包含SiC或金刚石。
在光电子器件的优选实施形式中，与半导体本体间隔开地布置过滤元件。过滤元件与半导体本体之间的间隔优选地小于0.5mm，特别优选地小于0.1mm。过滤元件与半导体本体之间的间隔有利地大于0μm且小于或等于10μm。
在光电子器件的另一实施形式中，在半导体本体与过滤元件之间布置将由半导体本体发出的辐射转换成其它波长的辐射的转换元件。以这种方式和方法可以产生混合色光、尤其是白光。也可能对由半导体本体产生的辐射进行(例如从紫外光到绿光的)颜色偏移(Farbverschiebung)。
视过滤元件的类型和改进方案而定，由光电子元件发出的并作为有用辐射部分被透射的辐射的频谱、方向分布或/和偏振能以预给定方式被修改。
该光电子器件的其它特征、优点和适宜性可结合附图1至7根据下面描述的七个实施例得出。
其中：
图1示出了本发明光电子器件的第一实施例的示意性剖面示图，
图2示出了本发明光电子器件的第二实施例的示意性剖面图，
图3示出了本发明光电子器件的第三实施例的示意性剖面图，
图4示出了本发明光电子器件的第四实施例的示意性剖面示图，
图5示出了本发明光电子器件的第五实施例的示意性剖面示图，
图6示出了本发明光电子器件的第六实施例的示意性透视图，
图7示出了本发明光电子器件的第七实施例的示意性透视详图。
相同的或相同作用的元件在附图中配备有相同的附图标记。
图1中所示的光电子器件的实施例具有带有用于产生电磁辐射的有源区域2的半导体本体1，该有源区域2被涂敷在支承元件3之上。支承元件3与帽状壳体盖4共同构成光电子器件的壳体。
壳体盖4在辐射侧被构造为过滤元件5。在根据图1的实施例中，该过滤元件构成方向选择性的滤光器。为此，过滤元件5具有多个结构元件6，这些结构元件6在此可三角锥形地被实施，并且在很大程度上在横向上可栅格状地被布置。
提供过滤元件来使得具有预给定的辐射方向的初级辐射部分7被透射，而具有与预给定的辐射方向不同的辐射方向的次级辐射部分8由结构元件6朝半导体本体1的方向被反射回。
在半导体本体1中，被反射回的次级辐射部分8在有源区域之内受到吸收过程和随后的二次发射过程。由于二次发射过程近似各向同性地进行或者至少不具有突出的(ausgepraegt)优先方向，所以存在以下某种概率：如此二次发射的辐射部分8具有预给定的辐射特性并随后由过滤元件5透射。否则，该辐射部分可重新朝半导体本体的方向被反射回并被输送给其它吸收过程和二次发射过程或偏转过程。
图2中所示的光电子器件的实施例在半导体本体1、发出辐射的区域2、支承元件3和壳体盖4方面基本上与图1中所示的实施例相对应。
与其不同的是，过滤元件5被实施为介电角度滤光器(Winkelfilter)。因此，借助介电层堆叠9对具有预给定的辐射方向的初级辐射部分7进行选择。带有与此不同的辐射方向的次级辐射部分8朝半导体本体的方向被反射回并且必要时进行二次发射。
在图3中示出了光电子器件的另一实施例。该实施例在半导体本体1、发出辐射的区域2、支承元件3和壳体盖4以及射束径迹(Strahlverlauf)方面基本上与图1或图2中所示的实施例相对应。
与图1和图2中所示的实施例不同的是，过滤元件5被实施为偏振滤光器，该偏振滤光器对具有预给定的偏振的初级辐射部分进行透射，而具有与此不同的偏振的次级辐射部分被反射且必要时随后由半导体本体来二次发射。
该偏振滤光器可作为滤光层10被涂敷在壳体盖4的内侧或者外侧(未示出)上。很大程度上，过滤元件被实施为线栅式偏振器(Wire-Grid-Polarizer)。
在图4中所示的光电子器件的实施例在半导体本体1、发出辐射的区域2、支承元件3、壳体盖4和带有结构元件6的方向选择性的滤光器以及射束径迹方面基本上与图1中所示的实施例相对应。
在辐射侧，偏振滤光器10附加地被涂敷到结构元件上，以致在该实施例中不仅对所透射的初级辐射部分的辐射方向而且对所透射的初级辐射部分的偏振进行选择。该偏振滤光器可例如被实施为线栅式偏振器。
在图5中所示的光电子器件的实施例在半导体本体1、发出辐射的区域2、支承元件3、壳体盖4和带有介电层堆叠9的介电角度滤光器以及射束径迹方面基本上与图2中所示的实施例相对应。
过滤元件5除了具有角度滤光器9之外还具有偏振滤光器10，如线栅式偏振器。在这种情况下，可相对应地对所透射的初级辐射部分的偏振和反射特征进行选择。
在图6中示出了另一实施例的透视详图。
在例如陶瓷衬底的共同的支承元件3上，优选地以薄膜半导体本体的形式布置多个半导体本体1。这些薄膜半导体本体无衬底地来实施，也就是说这些薄膜半导体本体不具有外延生长衬底。很大程度上在有源区域和支承元件3之间，优选地在半导体本体1和支承元件3之间分别构造了反射层。
在上侧，帽状壳体盖4跨越半导体本体1。在壳体盖4中集成了过滤元件5，该过滤元件5如所示的那样可被构造为带有多个结构元件的方向选择性的滤光器。这些结构元件角锥台状地被成型并在横向上栅格状地被布置。
在图7中示出了另一实施例的透视详图。
与图6中类似，在例如陶瓷衬底的共同的支承元件3上优选地以薄膜半导体本体的形式布置多个半导体本体1。这些薄膜半导体本体无衬底地来实施。很大程度上在有源区域和支承元件3之间、优选地在半导体本体1和支承元件3之间分别构造了反射层。
在上侧，第一帽状壳体盖4跨越半导体本体1。在壳体盖4中集成了过滤元件5，该过滤元件5如所示的那样可被构造为带有多个结构元件的方向选择性的滤光器。这些结构元件角锥台状地被成型并在横向上栅格状地被布置。
第二壳体盖11在辐射方向上被置于第一壳体盖4之后。该第二壳体盖可以具有防止环境影响的纯保护作用，并且在光学上不起作用。很大程度上，第二壳体盖配备有其它过滤元件(未示出)，如配备有偏振滤光器。
在本发明中，过滤元件不仅可被集成到壳体(例如壳体盖)中，而且可以作为分离的元件被涂敷到壳体上。在后者所述的情况下，过滤元件优选地被实施为滤光器膜。对此也可以使用带有棱镜结构或带有反射偏振器的BEF膜(Brightness Enhancement Film(棱镜膜))或DBEF膜(Dual Brightness Enhancement Film(反射型偏光片))。这样的膜也被称为Vikuiti膜(制造商：3M)。
本发明并不限于根据实施例的描述。本发明更确切地包含每个新的特征及特征的每个组合，这尤其是含有权利要求书中所述的特征的每个组合，即使该特征或该组合本身未在权利要求书或实施例中明确说明。

Claims (29)

1.一种具有至少一个半导体本体(1)和壳体(4)的光电子器件，所述至少一个半导体本体(1)具有用于产生电磁辐射的有源区域(2)，该壳体(4)带有在辐射方向上被置于有源区域(2)之后的过滤元件(5)，该过滤元件(5)对具有预给定的初级辐射特性的初级辐射部分(7)选择性地进行透射。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，初级辐射特性为初级辐射部分(7)的方向、偏振或/和波长。
3.根据权利要求1或2所述的光电子器件，其中，带有与初级辐射特性不同的次级辐射特性的次级辐射部分(8)由过滤元件(5)来反射。
4.根据权利要求3所述的光电子器件，其中，不仅初级辐射特性而且次级辐射特性都是辐射部分(7)的方向、偏振或/和波长。
5.根据权利要求3或4之一所述的光电子器件，其中，初级辐射特性与次级辐射特性互补。
6.根据权利要求3至5之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)朝半导体本体(1)的方向反射次级辐射部分(8)，次级辐射部分(8)在半导体本体(1)中受到偏转过程，并且被偏转的辐射(8′)射到过滤元件(5)上。
7.根据权利要求3至6之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)朝半导体本体(1)的方向反射次级辐射部分(8)，次级辐射部分(8)在半导体本体(1)中受到吸收过程和二次发射过程，并且二次发射的辐射(8′)射到过滤元件(5)上。
8.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)为二向色性滤光器。
9.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)为偏振滤光器(10)。
10.根据上述权利要求之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)为方向滤光器(10)。
11.根据权利要求10所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)具有多个结构元件(6)。
12.根据权利要求11所述的光电子器件，其中，结构元件(6)圆锥形地、三角锥状地、角锥台状地或者棱柱状地被构造。
13.根据权利要求11或12所述的光电子器件，其中，结构元件(6)根据二维栅格来布置。
14.根据权利要求10所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)具有介电层堆叠(9)。
15.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)含有玻璃材料。
16.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)被布置在壳体(4)中地或者被布置在壳体(4)上地被实施。
17.根据权利要求16所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)被实施为壳体(4)的盖。
18.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)与半导体本体(1)间隔开地被布置。
19.根据权利要求18所述的光电子器件，其中，过滤元件(5)与半导体本体(1)之间的间隔大于0μm且小于或等于10μm。
20.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，反射层被布置在有源区域的与过滤元件(5)相对的侧上。
21.根据权利要求20所述的光电子器件，其中，反射层含有金属。
22.根据权利要求20或21所述的光电子器件，其中，反射层被实施为金属层。
23.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，半导体本体(1)被布置在支承元件(3)上。
24.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，在有源区域(2)与过滤元件(5)之间布置将由有源区域(2)产生的辐射转换成其它波长的辐射的转换元件。
25.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，半导体本体(1)被实施为薄膜半导体本体。
26.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，该器件具有多个半导体本体(1)，每个半导体本体都具有用于产生电磁辐射的有源区域(2)。
27.根据权利要求26所述的光电子器件，其中，半导体本体(1)被布置在共同的支承元件(3)上。
28.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，该器件为发光二极管。
29.根据以上权利要求之一所述的光电子器件，其中，该器件发射不相干的辐射。
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