(57)【要約】【課題】ビーム整形エレメントを備えている発光半導体チップ２において、ビーム整形エレメントを改善し、放射放出もしくは放射入力結合の際の低減された損失および紫外線放射に対する比較的高度な安定性を有しているようにする。【解決手段】ビーム整形エレメントは光出射孔７と光出射孔に相対向している光入射孔８とを備えている中空体１から成っており、半導体チップは中空体１の光入射孔に接しているかまたは中空体の光入射孔を通って中空体に突入していて、半導体チップが電磁放射３を中空体内に放出しかつ電磁放射の少なくとも一部が中空体の壁部６で光出射孔に向かって反射されるようにした発光半導体チップ。【選択図】図１
2006019745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム整形エレメントを備えている発光半導体チップ（２）において、
該ビーム整形エレメントは光出射孔（７）と該光出射孔（７）に相対向している光入射孔（８）とを備えている中空体（１）から成っており、
半導体チップ（２）は中空体（１）の光入射孔（８）に接しているかまたは中空体（１）の光入射孔（８）を通って中空体に突入していて、半導体チップ（２）が電磁放射（３）を中空体（１）内に放出しかつ電磁放射（３）の少なくとも一部が中空体（１）の壁部（６）で光出射孔（７）に向かって反射されるようにした
ことを特徴とする発光半導体チップ。
【請求項２】
電磁放射（３）の少なくとも一部が中空体（１）の壁部（６）で光出射孔（７）に向かって全反射される
請求項１記載の発光半導体チップ。
【請求項３】
中空体（１）に放射透過材料（１１）が充填されている
請求項１または２記載の発光半導体チップ。
【請求項４】
放射透過材料（１１）はシリコーンを含んでいる、有利にはシリコーン樹脂である
請求項３記載の発光半導体チップ。
【請求項５】
中空体（１）の壁部（６）は非球面湾曲を有している
請求項１から４までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項６】
中空体（１）の壁部（６）は放物線状、楕円状または双曲線状に湾曲されている
請求項２記載の発光半導体チップ。
【請求項７】
ビーム整形エレメントは半導体チップ（２）から中空体（１）内に放出される放射（３）の拡散を回避する
請求項１から６までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項８】
中空体（１）の横断面は光出射孔（７）から光入射孔（８）に向かって先細になっている
請求項１から７までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項９】
中空体（１）は、発光半導体チップ（２）の主ビーム方向（４）に対して平行である対称軸線（１３）を有している
請求項１から８までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項１０】
半導体チップ（２）は紫外線を放出する
請求項１から９までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項１１】
半導体チップ（２）は青色または白色光を放出する
請求項１から１０までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項１２】
中空体（１）の壁部（６）は反射を高める膜（１２）を備えている
請求項１から１１までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項１３】
中空体（１）は合成樹脂材料から製造されている
請求項１から１２までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項１４】
中空体（１）は、壁部（６）の湾曲が変更可能であるように変形可能な材料から成っている
請求項１から１３までのいずれか１項記載の発光半導体チップ。
【請求項１５】
光出射孔（７）と、該光出射孔（７）に相対向している、発光半導体チップ（２）の光を入力結合可能である光入射孔（８）と、該光出射孔（７）を該光入射孔（８）に接続しかつ中空体（１）を実現している壁部（６）とを有している中空体（１）を備えているビーム整形エレメントであって、中空体（１）に放射透過材料（１１）が充填されている
ビーム整形エレメント。
【請求項１６】
放射透過材料（１１）はシリコーンを含んでいる、有利にはシリコーン樹脂である
請求項１５記載のビーム整形エレメント。
【請求項１７】
中空体（１）の壁部（６）は非球面湾曲を有している
請求項１５または１６記載のビーム整形エレメント。
【請求項１８】
中空体（１）の壁部（６）は放物線状、楕円状または双曲線状に湾曲されている
請求項１７記載のビーム整形エレメント。
【請求項１９】
ビーム整形エレメントは半導体チップ（２）から中空体（１）内に放出される放射（３）の拡散を低減する
請求項１５から１８までのいずれか１項記載のビーム整形エレメント。
【請求項２０】
中空体（１）の横断面は光出射孔（７）から光入射孔（８，９）に向かって先細になっている
請求項１５から１９までのいずれか１項記載のビーム整形エレメント。
【請求項２１】
壁部（６）は反射を高める膜（１２）を備えている
請求項１５から２０までのいずれか１項記載のビーム整形エレメント。
【請求項２２】
中空体（１）は合成樹脂材料から製造されている
請求項１５から２１までのいずれか１項記載のビーム整形エレメント。
【請求項２３】
中空体（１）は、壁部（６）の湾曲が変更可能であるように変形可能な材料から成っている
請求項１５から２２までのいずれか１項記載のビーム整形エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の発光半導体チップおよびビーム整形エレメントに関する。
【０００２】
この出願はドイツ連邦共和国特許出願１０２００４０３１７３２．１の優先権を主張し、これを以てその開示内容は参照によりここに取り込まれる。
【背景技術】
【０００３】
ビームの品質を改善するために、殊にビームの拡がりおよび／またはビームの横断面を低減するために、発光半導体チップを有する光電素子、例えばルミネサンスダイオードにおいてしばしば、例えばレンズおよび光電導体のようなビーム整形エレメントが使用され、これらは半導体チップに対して主放射方向において後置されている。
【０００４】
この形式のビーム整形エレメントに対する例は、光入射面および光出射面を有している合成樹脂中実体から成っている。この種の光電導体は例えば、Siemens Components 29（１９９１年）、第５冊、第１９３ないし１９６頁に記載されている。そこに記載されている光電導体ではＬＥＤ素子から放出される放射は光入射面を通って光電導体に入力結合され、光電導体の、周囲の環境に対する境界面で反射され、かつ引き続く経過において光出射面を通って再び光電導体から出力結合される。
【０００５】
半導体チップによって放出される放射は通例、半導体チップのエアギャップを通って集光器の光入射孔に達する。しかしこのことは、半導体チップから放出される放射の一部が集光器の光入射面に戻し反射され、従って消失するという欠点を有している。
【０００６】
合成樹脂から成る光電導体では、紫外線スペクトル領域にある放射または少なくとも放射成分を放出する半導体チップとの関連において、合成樹脂が紫外線放射によって劣化し、これにより殊に長時間安定性が損なわれるおそれがあるという問題が生じる。この問題は殊に、青色または白色光を放出する半導体チップにおいて発生する。というのは、この種の半導体チップの放出スペクトルはスペクトルの紫外線領域まで含んでいるからである。
【非特許文献１】Siemens Components 29（１９９１年）、第５冊、第１９３ないし１９６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、改善されたビーム整形エレメントを備えている放射放出もしくは発光半導体チップ並びに殊に放射入力結合の際の低減された損失および紫外線放射に対する比較的高度な安定性という特長を有しているこの種のビーム整形エレメントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成を有するビーム整形エレメントを備えた発光半導体チップもしくは請求項１５の特徴部分に記載の構成を有するビーム整形エレメントによって解決される。
【０００９】
本発明の有利な形態および発展形態は従属請求項の対象である。これを以て特許請求の範囲の開示内容は本発明の明細書に明確に取り込まれる。
【００１０】
本発明の第１の実施形態であるビーム整形エレメントを備えている発光半導体チップにおいて、ビーム整形エレメントは光出射孔と該光出射孔に相対向している光入射孔とを備えている中空体であり、その際半導体チップは光入射孔に接しておりかつ半導体チップから放出される電磁放射の少なくとも一部が中空体の壁部で光出射孔に向かって反射される。
【００１１】
本発明の第２の実施形態によるビーム整形エレメントを備えている発光半導体チップにおいて、ビーム整形エレメントは光出射孔と該光出射孔に相対向している光入射孔とを備えている中空体であり、その際半導体チップは中空体内部に配置されておりかつ半導体チップから放出された電磁放射の少なくとも一部が中空体の壁部で光出射孔に向かって反射される。
【００１２】
半導体チップが中空体の光入射孔に直接接しているまたは中空体の内部に配置されていることによって、放射がビーム整形エレメントに入射される際の反射損失は有利にも僅かである。このことは、半導体チップとはギャップによって分離されているビーム整形エレメントに比べると殊に有利である。
【００１３】
本発明の別の利点は、中空体が光出射孔に相対向している孔を有している点にあり、その場合中空体は孔が半導体チップに載着されているかまたは中空体を半導体チップにかぶせることができる。前者の場合、孔は光入射孔の機能を果たす。これにより中空体のマウントおよび調整は有利にも、半導体チップのマウントおよび調整後に行うことができる。このことは例えば、半導体チップが後から挿入される予め作製されたチップケーシングの場合には可能ではない。
【００１４】
中空体には例えばコンパウンド材料を充填することができる。コンパウンド材料は有利には、紫外線安定の材料、例えばシリコーンである。
【００１５】
中空体の壁部は有利には湾曲を有していて、所望の光学的な機能性が実現されるようになっている。殊に中空体の壁部は、非球面に、例えば放物線状、楕円状または双曲線状に湾曲されていてよい。
【００１６】
有利には半導体チップから放出される放射の拡散はビーム整形エレメントによって低減される。中空体の有利な形態によれば、中空体の横断面は光出射孔から光入射孔に向かって先細になっている。更に中空体は、発光半導体チップの主ビーム方向に対して平行である対称軸線を有している。
【００１７】
本発明は特別有利には、半導体チップは白色光、青色光または紫外線を放出する放射放出半導体チップのためのものである。というのは、中空体をビーム整形エレメントとして使用することによって、合成樹脂から成る忠実体を含んでいる公知のビーム整形エレメントに比べて紫外線安定性の問題が低減されているからである。
【００１８】
中空体の材料は有利には、半導体チップから放出される放射に対して高い反射を有している材料である。特別有利には、中空体の壁部は反射を高める膜を備えている。
【００１９】
中空体は例えば合成樹脂材料から作製されている。中空体が、壁部の湾曲が変更可能であるまたは湾曲がマウント後にようやく形成されるように変形可能な材料から成っていると特別有利である。中空体の所望の光学的な機能はこのような仕方で、マウント後にもなお変更または修正することができる。このように光学的な特性を後から修正することができることによって、半導体チップおよび中空体のマウントのために、高い調整許容偏差が生じている。マウントおよび調整コストは、中空体が単一構成の中空体であるとき特別僅かである。
【実施例】
【００２０】
本発明を図１および図２と関連して２つの実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
同じまたは同じ作用をするエレメントには各図において同じ参照符号が付せられている。
【００２２】
１に図示の発光半導体チップ２はビーム整形エレメントを備えている。ビーム整形エレメントは光出射孔７および光入射孔８を有している中空体１である。この中空体１は半導体チップ２上に、光入射孔８が該半導体チップ２に接しているように載着されている。半導体チップ２から放出される放射３は中空体１の壁部６にて中空体の光出射面７の方に向かって反射される。
【００２３】
中空体１は例えば、図１に示されているように、光入射面８と光出射面７との間で半導体チップ２の主ビーム方向４に対して平行である方向に湾曲を有していないように整形することができる。
【００２４】
しかしビーム整形エレメントの所望の機能に応じて壁部６を、半導体チップ２の主ビーム方向４に対して平行である方向にも湾曲、殊に非球面の湾曲を有しているようにすることができる。例えば放物線状、楕円形または双曲線状湾曲を設けて、例えば半導体チップ２から放出される放射３のビーム拡散が低減されるようにすることができる。
【００２５】
中空体１は有利には、変形可能な材料、例えば合成樹脂から製造されている。壁部６の湾曲はこの場合、中空体の、半導体チップ２上へのマウント後にも形成および／または変形することができる。
【００２６】
中空体１は主ビーム方向４に平行に延在している対称軸線１３を中心に回転対称である。中空体１の横断面は図示の実施例においては光出射面７から光入射面８に向かって先細になっているので、中空体１は円錐台の形状を有している。
【００２７】
中空体１の壁部６は有利には、例えば金属を含んでいる反射を高める膜１２を備えている。この膜１２は壁部６の外側にも内側にも被着されていてよい。反射を高める膜１２は、中空体１が合成樹脂から成っておりかつ半導体チップ２が、スペクトルが少なくとも部分的に、紫外線スペクトル領域にまで及んでいる放射を放出する、例えばルミネセンスダイオードの場合にそうであるように、青色または白色光を放出するときには殊に有利である。この場合反射を高める膜１２によって合成樹脂から成る中空体１の反射が高められるのみならず、合成樹脂を殊に長時間の作動時間後に合成樹脂を損傷する可能性がある紫外線から防護できることにもなる。
【００２８】
中空体１は有利にはコンパウンド１１が充填されていて、例えば半導体チップ２を周囲の影響から防護するようにしている。更に、コンパウンドはルミネセンス変換粒子を含んでいて、例えば青または紫の放射を放出する半導体チップ２によって白色光が生成されるようにすることができる。上に述べた、少なくとも部分的に紫外線スペクトル領域において放出する半導体チップに対して殊にシリコーンがコンパウンド材料として適している。その理由は、これが高い紫外線耐性によって特徴付けられているからである。
【００２９】
半導体チップ２は例えばチップ担体、殊にリードフレームまたはプリント基板上にマウントされている。チップ担体５は半導体チップ２の電気的なコンタクト形成のための接続領域を含んでいることができる。更に、チップ担体５はヒートシンクを含んでいることもできる。
【００３０】
図２に図示されている、本発明の第２の実施例によるビーム整形エレメントを備えている放射放出半導体チップ２の実施例は図１に図示の実施例とは実質的に、中空体１が半導体チップ２上に載着されておらず、半導体チップ２は中空体１内に完全に配置されている点で相異している。このことは例えば、中空体１の、光出射孔とは相対向している孔９を、チップ担体５にマウントされている半導体チップ２が中空体１によって完全に取り囲まれているようにチップ担体５上に載着することによって実現することができる。
【００３１】
択一的に、半導体チップ２を中空体１に位置決めしてかつコンパウンド１１を鋳こんで、半導体チップ２がコンパウンド１１の硬化後にチップ担体なしでも中空体１に固定されている。
【００３２】
本発明の第２の実施例も、半導体チップ２から放出される放射３が、その前にギャップを通過することなく、ビーム整形エレメントとして作用する中空体１に直接入射し、これにより反射損失が回避されるという利点を有している。
【００３３】
図１および図２に図示の、中空体１の実施例はそれぞれ、半導体チップ２の主ビーム方向４に対して平行に延在している対称軸線１３を中心に回転対称である。ビーム整形エレメントの所望の光学的な機能に応じて、本発明の枠内において勿論、中空体１の別の実施例も考えられる。
【００３４】
更に中空体１に１つまたは複数の光学エレメント、例えばレンズまたはレンズ組み合わせを後置することもできる。
【００３５】
中空体１は実施例において有利には変形可能な材料、例えば合成樹脂から製造されている。壁部６の湾曲はこの場合中空体１の、半導体チップ２へのマウント後または半導体チップ２内での位置決め後になお形成および／または変更することができる。殊に、マウント後または半導体チップ２上の前に既に存在している、壁部６の湾曲をマウント後に修正して、所望の光学的な特性が実現されるようにすることができる。
【００３６】
本発明は実施例に基づく説明に制限されていない。むしろ本発明はそれぞれの新しい特徴並びに特徴のそれぞれの組み合わせを含んでおり、このことは殊に、たとえこれらの組み合わせが特許請求の範囲または実施例に明示的に記載されていなくとも、特許請求の範囲おける特徴のいずれの組み合わせも包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施例によるビーム整形エレメントを備えた発光半導体チップの実施例の横断面略図
【図２】本発明の第２の実施例によるビーム整形エレメントを備えた発光半導体チップの実施例の横断面略図
【符号の説明】
【００３８】
１  中空体、  ３  電磁放射、  ２  半導体チップ、  ４  主ビーム方向、  ６  壁部、  ７  光出射孔または光出射面、  ８，９  光入射孔または光入射面、  １１  放射透過性材料もしくはコンパウンド、  １２  反射を高める膜、  １３  対称軸線
【図１】
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【図２】
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