(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）において、
前記オプトエレクトロニクス素子（１）の動作時に一次ビームを放射する半導体チップ（２）と、
変換材料を含有している変換素子（６）と、
を含んでおり、
前記変換材料は、Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンおよびホスト材料を含有しており、かつ前記オプトエレクトロニクス素子（１）の動作時に前記半導体チップから放射される前記一次ビームを、７００ｎｍ〜２，０００ｎｍの間の波長の二次ビームに変換し、
前記ホスト材料はＬｎ3Ｇａ5ＧｅＯ14およびＧａ2Ｏ3を含み、ただしＬｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂおよび／またはＬｕである、
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項２】
前記変換材料は、Ｃｒ3+イオンおよび／またはＮｉ2+イオンを含有している、
請求項１記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項３】
前記Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンは、前記ホスト材料の金属に部分的に置き換わる、
請求項１または２記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項４】
前記Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンは、前記ホスト材料の金属の０．０１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％に置き換わる、
請求項３記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項５】
前記変換材料は、前記オプトエレクトロニクス素子（１）の動作時に前記半導体チップから放射される前記一次ビームを、７００ｎｍ〜１，１００ｎｍの間の波長の二次ビームに変換する、
請求項１から４までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項６】
前記変換材料はＬｎ3（Ｇａ1-xＮｉx）5ＧｅＯ(28-5x)/2および（Ｇａ1-xＮｉx）2Ｏ3-xを含み、ただしｘ＝０．０００１〜０．１であり、Ｌｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂおよび／またはＬｕである、
請求項１から５までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項７】
前記変換材料はＬｎ3（Ｇａ1-x'Ｃｒx’）5ＧｅＯ14および（Ｇａ1-x'Ｃｒx’）2Ｏ3を含み、ただしｘ’＝０．０００１〜０．１であり、Ｌｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂおよび／またはＬｕである、
請求項１から５までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項８】
前記変換素子（６）は、前記半導体チップ（２）の封止体の一部であるか、または前記変換素子（６）は、前記封止体を成している、
請求項１から７までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項９】
前記変換素子（６）は、１つの層として形成されており、かつ前記半導体チップ（２）に直接的に設けられている、
請求項１から８までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１０】
前記変換素子（６）は、プレートまたはシートとして形成されており、該プレートまたはシートは、前記半導体チップ（２）の上に設けられている、
請求項１から７までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１１】
前記変換素子（６）は、マトリクス材料としてシリコーンを含有している、
請求項１から１０までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）。
【請求項１２】
分光計における、請求項１から１１までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）の使用。
【請求項１３】
内視鏡における、請求項１から１１までのいずれか１項記載のビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）の使用。
【請求項１４】
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）を製造するための方法であって、
Ａ）前記オプトエレクトロニクス素子（１）の動作時に一次ビームを放射するように構成されている半導体チップ（２）を準備するステップ、
Ｂ）Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンおよびホスト材料を含有している変換材料を含んでいる変換素子（６）を製造するステップであって、前記ホスト材料はＬｎ3Ｇａ5ＧｅＯ14およびＧａ2Ｏ3を含み、ただしＬｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂおよび／またはＬｕである、ステップ、
Ｃ）前記オプトエレクトロニクス素子（１）の動作時に前記半導体チップから放射される前記一次ビームを、７００ｎｍから２，０００ｎｍの間の波長の二次ビームに変換するように構成されている前記変換素子（６）を、前記半導体チップ（２）の上に設けるステップ、
を含む、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子（１）を製造するための方法。
【請求項１５】
前記方法ステップＢ）は、方法ステップＢＢ）：
ＢＢ）前記変換材料を製造するステップ、
を含んでおり、
前記方法ステップＢＢ）は、以下の方法ステップ：
ＢＢ１）出発材料を混合するステップ、
ＢＢ２）前記変換材料を形成するために、前記ＢＢ１）において得られた混合物を、７００℃から１，５００℃の間の温度で、か焼するステップ、
を含んでいる、
請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記方法ステップＢＢ１）における前記出発材料は、金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩、金属硝酸塩、金属ハロゲン化物、金属酢酸塩、金属窒化物およびそれらの組合せを含むグループから選択されている、
請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換素子を含んでいる、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子と、分光計および内視鏡におけるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の使用と、変換素子を含んでいる、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を製造するための方法と、に関する。
【０００２】
本明細書は、ドイツ連邦共和国特許明細書ＤＥ１０２０１５１０６７５７．９号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に含まれる。
【０００３】
有機物の組成を、例えば食料品またはポリマーの組成を分析するための現行の方式は、赤外線ビームまたは近赤外線ビームの反射光または透過光の記録である。赤外線ビームまたは近赤外線ビームは、検査すべき材料において振動モードを励起し、これによって、特徴的な吸収帯域が生じる。近赤外線ビームの帯域幅全体を利用できるようにするために、所望のスペクトル領域において、広範で連続的な放射スペクトルを有している光源が必要になる。特にエンドユーザによる分析のために、小型で扱いやすく、かつ持ち運び可能な分析装置／分光計の需要が高く、このために小型の光源も必要になる。ポータブルな装置および工業用機械におけるセンサ用途に関しても、小型で広帯域の赤外線光源が必要になる。特に、近赤外線領域の用途に関しては、広範で連続的な放射スペクトルを有している光源が必要になる。何故ならば、このスペクトル領域を、廉価に製造することができるＳｉ検出器でもってカバーすることができるからである。
【０００４】
従来では、近赤外線領域に対してタングステンハロゲンランプが頻繁に使用されている。それらのランプは廉価であり、かつ近赤外線領域において高い強度を有している、連続的な放射を供給する。もっとも、タングステンハロゲンランプは、小型で扱いやすく、かつ持ち運び可能な分光計にとって不利となる特性を多数有している。例えば、タングステンハロゲンランプでは、多くの熱が生じ、このことは持ち運び可能な分光計には適しておらず、また放射波長が時間と共に変化するので、タングステンハロゲンランプの寿命は、例えばＬＥＤに比べると短いものでしかない。他方、放射されるビームの波長は、ある程度の割合で所望の波長領域外にあり、それによってそれらのエネルギが失われることになる。さらに、タングステンハロゲンランプは、ガラスカバーに起因して大きい体積を必要とする。
【０００５】
材料の分析のために、レーザダイオードも使用される。そのような分析では、レーザダイオードの放射波長が、材料の１つの特定の吸収帯域に応じて選択される。したがって、この方式では、ただ１つの成分しか検出することができないので、レーザダイオードを用いる分光計は、既知の物質、例えば水、二酸化炭素または揮発性の有機物質の検出にしか使用できない。未知の物質または混合物が分析されるべき場合には、光源の広範な放射スペクトルが必要になる。
【０００６】
原則として、赤外線領域にあるビームを放射する半導体チップを使用することができる。赤外線領域にあるビームを放射する従来のＬＥＤは、非常に狭い放射帯域幅、典型的には５０ｎｍを下回る放射帯域幅しか有しておらず、またスペクトルは、通常の場合、ピークを有する経過を示すので、例えば温度の影響によって、放射波長が僅かに変化しただけで、所定の波長位置の強度に強い影響が既に及ぼされる。より広範な波長領域をカバーするためには、より多くの赤外線ＬＥＤを使用することが必要になるであろうし、また高まった温度での放射帯域の波長および強度の変化を抑制できるようにするためには、それらのＬＥＤが電子的に個別に制御されなければならない。さらに、種々のＬＥＤのビームの放射の混合を達成するためには、複数の光学素子が必要になるであろう。
【０００７】
従来の光源は、強度が過度に急峻または急激に変化するか、またはセンサ測定の間またはセンサの寿命にわたりスペクトルが大きく変化する、広帯域スペクトルを有していることが多く、その結果、信頼性の高いセンサ測定は実現できていない。したがって、指紋スペクトルを正確に分析および算出するためには、その種の光源は適していない。
【０００８】
Ｃｄ（Ｔｅ，Ｓｅ）材料系のような既知の材料、例えば量子ドットは、近赤外線領域における広範で連続的な放射スペクトルの必要な判定基準を満たすものであるが、もっともそれらの材料は、カドミウムが有毒性であることから、工業用の用途には適していない。
【０００９】
内視鏡においても赤外線光源が使用される。従来の内視鏡においては、７８５ｎｍ＋／−２０ｎｍのピーク波長を有している赤外線ビームを得るために、フィルタを備えている３００Ｗキセノンランプが使用される。この解決手段の欠点として、フィルタによる損失が大きいこと、熱の発生が大きいこと、またランプの経年変化が早いことが挙げられる。さらに、キセノンランプは、そのスイッチオン後に即座に、完全なビーム出力は得られないことから、内視鏡が利用できるようになるまで待機時間が発生する。
【００１０】
本発明の少なくとも１つの実施の形態の課題は、近赤外線領域において広範で連続的な放射スペクトルを備えた変換素子を含んでいる、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を提供することである。別の課題は、分光計および内視鏡において使用するための、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を提供すること、またビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の廉価で効率的な製造方法を提示することである。
【００１１】
これらの課題は、請求項１および請求項５の特徴を備えている、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子と、請求項１２の特徴を備えている、分光計におけるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の使用と、請求項１３の特徴を備えている、内視鏡におけるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の使用と、請求項１４の特徴を備えている、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を製造するための方法と、によって解決される。
【００１２】
本発明の有利な実施の形態ならびに発展形態は、各従属請求項に記載されている。
【００１３】
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子が提供される。このビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子は、この素子の動作時に一次ビームを放射する半導体チップと、変換材料を含有している変換素子と、を含んでいる。特に、変換素子は、半導体チップの一次ビームのビーム路内に配置されている。
【００１４】
少なくとも１つの実施の形態によれば、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子は、この素子の動作時に一次ビームを放射する、２つまたはそれ以上の半導体チップを含んでいる。チップ縁部からチップ縁部までの半導体チップの距離は、５０μｍから２５０μｍの間であってよい。
【００１５】
１つの実施の形態によれば、変換材料は、素子の動作時に、半導体チップから放射される一次ビームを近赤外線領域にある二次ビームに変換する。有利には、二次ビームは、７００ｎｍから２，０００ｎｍの間の波長を、特に７００ｎｍから１，１００ｎｍの間の波長を有している。波長は、特に１，０００ｎｍ以下であってもよく、したがって７００ｎｍから１，０００ｎｍの間であってもよい。
【００１６】
１つの実施の形態においては、二次ビームの強度が、少なくとも１００ｎｍの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。したがって、二次ビームは広帯域ビームである。つまり、素子によって、近赤外線スペクトル領域において広範な放射スペクトルを達成することができる。有利には、二次ビームの強度は、少なくとも１５０ｎｍの範囲において、特に有利には少なくとも２００ｎｍの範囲において、非常に有利には少なくとも２５０ｎｍの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。そのような広範な放射スペクトルによって、例えば、未知の物質または混合物を、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を含んでいる分光計によって分析することができる。
【００１７】
１つの実施の形態においては、二次ビームの強度が、少なくとも１００ｎｍの範囲において、二次ビームの最大強度の３０％を上回る。したがって、二次ビームは広帯域ビームである。つまり、素子によって、近赤外線スペクトル領域において広範な放射スペクトルを達成することができる。有利には、二次ビームの強度は、少なくとも１５０ｎｍの範囲において、特に有利には少なくとも２００ｎｍの範囲において、非常に有利には少なくとも２５０ｎｍの範囲において、二次ビームの最大強度の３０％を上回る。
【００１８】
１つの実施の形態においては、二次ビームの強度が、少なくとも４０ｎｍの範囲において、有利には少なくとも６０ｎｍの範囲において、特に有利には少なくとも８０ｎｍの範囲において、非常に有利には少なくとも１００ｎｍの範囲において、ｎｍあたり５％を超えて変化することはなく、有利にはｎｍあたり３％を超えて変化することはなく、特に有利にはｎｍあたり２％を超えて変化することはない。例えば、強度は上述の範囲において、ｎｍあたり最大で０．１％から５％まで変化し、有利にはｎｍあたり最大で０．１％から３％まで変化し、特に有利にはｎｍあたり最大で０．１％から２％まで変化する可能性がある。これによって総じて、ｎｍあたりの強度が、例えばセンサ系にとって重要な広範なスペクトル領域にわたり十分均一に維持されることを保証することができ、その結果、センサは指紋スペクトルを再現することができ、かつその寿命にわたり確実に検出することができる。したがって、適切かつ安定した信号がセンサに到達することを保証することができる。
【００１９】
１つの実施の形態によれば、変換材料は、Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンおよびホスト材料を、有利にはＣｒ3+イオンおよび／またはＮｉ2+イオンおよびホスト材料を含有している。本発明による変換材料は、カドミウムを含有する量子ドットに比べて遙かに毒性が低く、したがってビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の工業用の用途が実現される。
【００２０】
変換素子は、素子の動作時に、半導体チップから放射される一次ビームを近赤外線領域にある二次ビームに変換するように構成されている。有利には、二次ビームは、７００ｎｍから２，０００ｎｍの間の波長を、特に７００ｎｍから１，１００ｎｍの間の波長を有している。波長は、特に１，０００ｎｍ以下であってもよく、したがって７００ｎｍから１，０００ｎｍの間であってもよい。波長は、特に、ピーク波長であってよい。ここでは、ピークの最大強度が位置するそのピークの波長を「ピーク波長」と称する。
【００２１】
タングステンハロゲンランプに比べて、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子はより長い寿命を有しており、また遙かに小さい立体的な寸法を達成することができる。赤外線の用途のためのハロゲンランプは、通常の場合、２０ｍｍの直径および１０１ｍｍの長さを有している。したがって、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子は、小型で扱いやすく、かつ持ち運び可能な分光計における使用に適している。
【００２２】
１つの実施の形態においては、ホスト材料が、金属酸化物、金属ハロゲン化物、金属窒化物、金属酸窒化物およびそれらの組合せを含む化合物のグループから選択されている。有利には、ホスト材料は金属酸化物である。
【００２３】
半導体チップは、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の動作時に一次ビームを放射することに適している、活性エピタキシャル層列を含んでいる。１つの実施の形態によれば、半導体チップは、青色、緑色または赤色のスペクトル領域にある一次ビームを放射する。有利には、半導体チップは、青色または赤色のスペクトル領域にある一次ビームを放射する。赤色および青色のスペクトル領域において、変換材料を特に効率的に励起させることができる。
【００２４】
一次ビームを生成するために、エピタキシャル層列は、例えばｐｎ接合部、ダブルへテロ構造、単一量子井戸構造、または特に有利には多重量子井戸構造を有することができる。量子井戸構造という呼称には、次元に関する記述は含まれない。したがって、量子井戸構造には、特に量子箱、量子線および量子点ならびにそれらの構造のあらゆる組合せが含まれる。
【００２５】
動作時に、４００ｎｍから５００ｎｍの間の波長の青色の一次ビームを放射することに適している半導体チップは、例えば窒化ガリウムまたは窒化インジウムガリウムを基礎としている。特に、内視鏡における用途では、一次ビームのドミナント波長は、有利には４４０ｎｍから４６０ｎｍの間にある。
【００２６】
ドミナント波長は、多色光源と同一の色印象を形成する単色の波長である。ＣＩＥ色空間においては、特定の色に関する点と光源の色に関する点とを結ぶ直線を、その直線が空間の輪郭に最大で２つの点で接するように外挿することができる。上述の色のより近くに位置する交点は、その交点における純粋なスペクトル色の波長として、その色のドミナント波長を表す。すなわち、ドミナント波長は、人間の目によって知覚される波長である。一般的に、ドミナント波長は、最大強度の波長とは異なる。特に、赤色スペクトル領域におけるドミナント波長は、最大強度の波長よりも小さい波長に位置する。
【００２７】
動作時に、５８０ｎｍから７００ｎｍの間の波長の赤色の一次ビームを放射することに適している半導体チップは、例えばガリウムヒ素リンまたはアルミニウムインジウムガリウムリンを基礎としている。特に、内視鏡における用途では、一次ビームのドミナント波長は、有利には６１５ｎｍから６５０ｎｍの間にあり、特に有利には６３０ｎｍを上回る。赤色の一次ビームで変換材料を励起させることによって、青色の一次ビームで励起させる場合よりも、発生するストークス損失は少なくなり、これによって、発生する熱は少なくなり、またそれによって素子の寿命が延びる。
【００２８】
１つの実施の形態によれば、１つまたは複数の半導体チップは、基板に、例えば金属コア基板、ＡｌＮ、またはＡｌＮおよび金属から成る層構造に被着されている。
【００２９】
１つの実施の形態によれば、１つまたは複数の半導体チップは、表面実装可能であり、セラミックまたは導体フレームを基礎とする支持体に被着されている。ここで、また以下において「表面実装可能」とは、半導体チップがワイヤ接続部を有しておらず、その代わりに、はんだ付け性の接続面を介して、支持体に、例えば回路基板に直接的にはんだ付けされていることを意味している。この配置構成によって、小さい面積に多数の半導体チップを密に並べて配置することができる。これによって、有利には、小さい面積において多くのビームを生成することができ、このことは特に、内視鏡における用途では有利である。この場合、特に、１つの面のみからビームを放出する、いわゆる面発光型の半導体チップである、１つまたは複数の半導体チップが使用される。５つの面からビームを放出するボリュームエミッタ型の半導体チップに比べて、面発光型の半導体チップでは、より高い光束密度が達成され、このことは特に内視鏡において有利である。面発光型の半導体チップの例として、ＴｈｉｎＧａＮ，ＴｈｉｎｆｉｌｍまたはＵＸ３が挙げられる。
【００３０】
１つの実施の形態においては、変換材料が一次ビームの有利には２０％以上、特に有利には４０％以上、非常に有利には５０％以上を二次ビームに変換する。また、変換材料が一次ビームの９０％または９５％以上を二次ビームに変換することも可能である。
【００３１】
一次ビームも、すなわち青色または赤色のスペクトル領域にあるビームも、外側に向かってビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の周囲環境に放出することが可能である。このことは、周囲環境のどの箇所に近赤外線領域にあるビームが入射すべきかが正確に特定されるべき場合には有利であることが分かった。つまり例えば、分光計において素子を使用する場合には、試料の分析すべき領域に正確に焦点合わせすることが可能である。内視鏡において使用する場合にも、診療すべき組織、例えば腫瘍の位置を正確に特定することができる。
【００３２】
１つの実施の形態においては、変換素子の上方にフィルタが配置されている。つまり、一次ビームが周囲環境に放出されることが不所望である場合には、その放出を阻止することができる。例えば、フィルタとして、青色、緑色または赤色の一次ビームを吸収するが、しかしながら二次ビームに対しては透過性である材料を使用することができる。例えば、Ｓｃｈｏｔｔ社のガラスフィルタを使用することができるが、しかしながら当業者には公知である他のフィルタも使用することができる。また、青色、緑色または赤色の一次ビームを選択的に反射する誘電体ミラーも考えられる。この誘電体ミラーを、例えば、カバープレート上に配置することができる。カバープレートは、波長に依存する透過性を有することができる。例えば、カバープレートはガラスを含んでいるか、またはガラスから成る。
【００３３】
ここで、また以下において、一方の層または一方の素子が、他方の層または他方の素子の「上」または「上方」に配置されているか、または設けられているということは、その一方の層または一方の素子が、他方の層または他方の素子に、何も介在することなく直接的に、機械的かつ／または電気的に接触して配置されていることを意味していると考えられる。
【００３４】
さらにこのことは、一方の層または一方の素子が、間接的に他方の層または他方の素子の上ないし上方に配置されていることも意味していると考えられる。この場合、更なる層および／または更なる素子もしくは内法の距離を、一方の層と他方の層との間に、ないし一方の素子と他方の素子との間に設けることができる。
【００３５】
例えば、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子は、発光ダイオード、略してＬＥＤであってよい。換言すれば、素子はこの場合、動作時にインコヒーレントなビームを放射する。ＬＥＤを、表面実装型の素子として形成することができる。
【００３６】
１つの実施の形態においては、Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンが、有利にはＣｒ3+イオンおよび／またはＮｉ2+イオンが、ホスト材料の金属に部分的に置き換わる。このことは、Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンが、有利にはＣｒ3+イオンおよび／またはＮｉ2+イオンが、部分的に、ホスト材料の金属の格子サイトを取ることを意味している。
【００３７】
１つの実施の形態においては、Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンが、有利にはＣｒ3+イオンおよび／またはＮｉ2+イオンが、ホスト材料の金属の０．０１ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％まで、有利には０．１ｍｏｌ％から５ｍｏｌ％まで、特に有利には０．３ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％まで、例えば０．５ｍｏｌ％または１．０ｍｏｌ％置き換わる。Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンの、有利にはＣｒ3+イオンおよび／またはＮｉ2+イオンのそのような高い濃度によって、吸収が改善され、したがって変換効率も改善される。これによって、近赤外線領域においてより高いビーム出力が達成される。
【００３８】
１つの実施の形態においては、変換材料は、欠陥サイトを有していないか、または極僅かな欠陥サイトしか有していない。欠陥サイトとは、主に、未占有の格子サイトおよびホスト格子における外来イオンないしホスト材料の中間格子サイトにおけるイオンであると解される。ホスト格子における欠陥サイトによって、発光体の量子効率が減少するか、または残光が生じる、すなわちミリ秒の範囲の蛍光の不感時間が生じる可能性がある。変換材料が欠陥サイトを有していないか、または極僅かな欠陥サイトしか有していない場合には、マイクロ秒の範囲の短時間の不感時間を達成することができ、したがって残光を十分に回避することができる。残光とは、変換材料が電流の遮断後に、すなわち素子の動作の終了後に、さらに二次ビームを放射することと解される。長時間の残光は、例えば近赤外線ビームを放射する材料を、医療分野、セキュリティ分野および軍事分野において使用する場合、または標示を目的とする場合には望ましい。しかしながら、分光計における使用には、残光は不所望なものでしかない。
【００３９】
Ｃｒ3+イオンの放射は、それらのＣｒ3+イオンを包囲する配位子場の強さに大きく依存する。強い配位子場では、例えばＡｌ2Ｏ3では、最も低い占有可能な、エネルギ的に励起された状態は、2Ｅであって、スピン禁制遷移で2Ｅ→4Ａ2へ遷移し、これによって、約７００ｎｍにおいて狭帯域の放射帯域の放射が生じる。スピン禁制遷移によって、それらの遷移は非常に緩慢になり、残光が増加する結果となる。本発明によれば、配位子場が弱いホスト材料が使用されるので、第１の励起状態は4Ｔ2状態であって、スピン許容遷移で4Ｔ2→4Ａ2へ遷移し、これによって、７００ｎｍを上回る波長を有する広帯域の放射が生じる。これはスピン許容遷移であるので、遷移は励起後に非常に高速に行われ、その結果、変換材料の残光を回避することができるか、もしくはほぼ回避することができる。Ｎｉ2+イオンは、マルチバンドスペクトルを有していることが多い。何故ならば、放射遷移が複数の励起された状態から行われるからである。例えば、Ｍｇ1-xＮｉxＳｉＯ3、ただしｘ＝０．０００１〜０．１、は約８５０ｎｍおよび１，５００ｎｍにおいて２つの放射帯域を示す。
【００４０】
ホスト材料は、結晶性化合物および／またはアモルファス化合物、すなわちガラス状の化合物であってよい。広帯域の放射を達成するためには、アモルファス化合物が有利であると考えられる。アモルファス化合物においては、各金属原子および活性剤イオン、例えばＣｒイオンまたはＮｉイオンを取り囲む周囲環境は、したがって配位子場は僅かにしか異ならないが、それに対し、結晶性化合物においては、「周囲環境」の数は、活性剤イオン、例えばＣｒイオンまたはＮｉイオンに提供される、結晶学的な位置の数によって決定される。放射帯域の位置は、配位子場に依存してシフトするので、アモルファス化合物においては、僅かに異なる放射帯域の重畳が生じ、したがって放射スペクトルの伝播が生じる。
【００４１】
１つの実施の形態によれば、変換材料は、Ｃｒ3+および／またはＮｉ2+がドープされたケイ酸塩、アルミン酸塩、没食子酸塩および／またはゲルマニウム酸塩である。このホスト材料において、中央の金属イオンのｄ軌道と周囲の酸素イオンとの間にむしろ弱い相互作用が生じるように、酸素イオンおよび金属イオンを配置することができる。金属原子に部分的に置き換わるＣｒ3+またはＮｉ2+のような活性剤イオンは、いわゆる弱配位子場によって包囲されており、これによって広帯域の放射が促進される。そのような変換材料を用いることによって、オプトエレクトロニクス素子は、近赤外線スペクトル領域において、広範で連続的な放射スペクトルを供給する。連続的な放射スペクトルとは、放射される波長領域にわたり強度が急激に低下または上昇しないこと、すなわち強度がｎｍあたり０．１％から５％までを超えて変化しないことを意味している。さらに、広範で連続的な放射スペクトルを、素子の寿命にわたり、例えば５時間から１，０００時間までの期間にわたり維持し続けることができる。
【００４２】
１つの実施の形態においては、ホスト材料が、ＥＡＧａ12Ｏ19，ＭｇＳｉＯ3，ＡyＧａ5Ｏ(15+y)/2，ＡＥ3Ｇａ2Ｇｅ4Ｏ14，Ｌｎ3Ｇａ5ＧｅＯ14，Ｌｎ3Ｇａ5.5Ｄ0.5Ｏ14，Ｇａ2Ｏ3およびＭｇ4Ｄ2Ｏ9、ただしＥＡ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒおよび／またはＢａ、Ａ＝Ｌｉ，Ｎａ，Ｋおよび／またはＲｂ、ＡＥ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒおよび／またはＢａ、Ｌｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂおよび／またはＬｕかつＤ＝Ｎｂおよび／またはＴａ、を含む化合物のグループから選択されている。有利には、ＥＡ＝Ｓｒおよび／またはＢａ、Ａ＝Ｎａおよび／またはＫ、ＡＥ＝Ｃａおよび／またはＳｒ、Ｌｎ＝ＬａかつＤ＝Ｎｂである。また、ホスト材料が、分子式ＥＡＧａ12Ｏ19，ＭｇＳｉＯ3，ＡyＧａ5Ｏ(15+y)/2，ＡＥ3Ｇａ2Ｇｅ4Ｏ14，Ｌｎ3Ｇａ5ＧｅＯ14，Ｌｎ3Ｇａ5.5Ｎｂ0.5Ｏ14，Ｇａ2Ｏ3またはＭｇ4Ｄ2Ｏ9において僅かな差異を有している化合物であってもよい。例えば、僅かな量の外来原子がホスト材料内に存在していてもよい。特に、ホスト材料は、Ｌｎ3Ｇａ5ＧｅＯ14およびＧａ2Ｏ3を、有利にはβ−Ｇａ2Ｏ3を含有することができるか、またはそれらから成るものであってよい。
【００４３】
１つの実施の形態においては、ホスト材料が、Ｌｎ3Ｇａ5ＧｅＯ14およびＧａ2Ｏ3を含有しているか、またはそれらの化合物から成る。特に、Ｇａ2Ｏ3の重量割合は、Ｌｎ3Ｇａ5ＧｅＯ14およびＧａ2Ｏ3の総重量に関して、５重量％から２０重量％の間であってよい。
【００４４】
１つの実施の形態においては、変換材料が、Ｍｇ1-xＮｉxＳｉＯ3，Ａy（Ｇａ1-xＮｉx）5Ｏ[(15+y)/2]-2.5x，ＡＥ3（Ｇａ1-xＮｉx）2Ｇｅ4Ｏ14-x，Ｌｎ3（Ｇａ1-xＮｉx）5ＧｅＯ(28-5x)/2，（Ｇａ1-xＮｉx）2Ｏ3-x，Ｌｎ6（Ｇａ1-xＮｉx）11ＤＯ28-5.5x，（Ｍｇ1-xＮｉx）4Ｄ2Ｏ9およびそれらの組合せ、ただしｘ＝０．０００１〜０．１、ｙ＝０．９〜１．９、Ａ＝Ｌｉ，Ｎａ，Ｋおよび／またはＲｂ、ＡＥ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒおよび／またはＢａ、Ｌｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂおよび／またはＬｕかつＤ＝Ｎｂおよび／またはＴａ、を含む化合物のグループから選択されている。有利には、Ａ＝Ｎａおよび／またはＫ、ＡＥ＝Ｃａおよび／またはＳｒ、Ｌｎ＝ＬａかつＤ＝Ｎｂである。例えば、変換材料は、Ｍｇ1-xＮｉxＳｉＯ3、ただしｘ＝０．０００１〜０．１、である。有利には、変換材料は、Ａy（Ｇａ1-xＮｉx）5Ｏ[(15+y)/2]-2.5x，ＡＥ3（Ｇａ1-xＮｉx）2Ｇｅ4Ｏ14-x，Ｌｎ3（Ｇａ1-xＮｉx）5ＧｅＯ(28-5x)/2，Ｌｎ6（Ｇａ1-xＮｉx）11ＤＯ28-5.5x，（Ｍｇ1-xＮｉx）4Ｄ2Ｏ9およびそれらの組合せを含む化合物のグループから選択されている。特に有利には、変換材料は、Ａy（Ｇａ1-xＮｉx）5Ｏ[(15+y)/2]-2.5x，ＡＥ3（Ｇａ1-xＮｉx）2Ｇｅ4Ｏ14-x，Ｌｎ3（Ｇａ1-xＮｉx）5ＧｅＯ(28-5x)/2およびそれらの組合せを含む化合物のグループから選択されている。特に、変換材料は、Ｌｎ3（Ｇａ1-xＮｉx）5ＧｅＯ(28-5x)/2および（Ｇａ1-xＮｉx）2Ｏ3-xを含有することができるか、またはそれらから成るものであってよい。ここで有利には、（Ｇａ1-xＮｉx）2Ｏ3-xが副相であるか、もしくは副相として生じる。
【００４５】
１つの実施の形態においては、変換材料が、ＥＡ（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）12Ｏ19，（Ｍｇ1-x’Ｃｒx’）Ｓｉ(4-x’)/4Ｏ3，Ａy’（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5Ｏ(15+y)/2，ＡＥ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｇｅ4Ｏ14，Ｌｎ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14，（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｏ3，Ｌｎ6（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）11ＤＯ28，（Ｍｇ1-x’Ｃｒx’）8/(2-x’)Ｄ2Ｏ9およびそれらの組合せ、ただしｘ’＝０．０００１〜０．１、ｙ’＝０．９〜１．９、ＥＡ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒおよび／またはＢａ、Ａ＝Ｌｉ，Ｎａ，Ｋおよび／またはＲｂ、ＡＥ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒおよび／またはＢａ、Ｌｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂおよび／またはＬｕかつＤ＝Ｎｂおよび／またはＴａ、を含む化合物のグループから選択されている。有利には、Ａ＝Ｎａおよび／またはＫ、ＡＥ＝Ｃａおよび／またはＳｒ、Ｌｎ＝ＬａかつＤ＝Ｎｂである。有利には、変換材料は、ＥＡ（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）12Ｏ19，Ａy’（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5Ｏ(15+y)/2，ＡＥ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｇｅ4Ｏ14，Ｌｎ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14，Ｌｎ6（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）11ＤＯ28，（Ｍｇ1-x’Ｃｒx’）8/(2-x’)Ｄ2Ｏ9およびそれらの組合せを含む化合物のグループから選択されている。特に有利には、変換材料は、ＥＡ（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）12Ｏ19，Ａy’（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5Ｏ(15+y)/2，ＡＥ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｇｅ4Ｏ14，Ｌｎ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14およびそれらの組合せを含む化合物のグループから選択されている。例えば、変換材料は、ＳｒＧａ11.88Ｃｒ0.12Ｏ19，Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14，Ｌａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14，Ｃａ3Ｇａ1.98Ｃｒ0.02Ｇｅ4Ｏ14またはＮａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2である。特に、変換材料は、Ｌｎ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14および（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｏ3を含有することができるか、またはそれらから成るものであってよい。ここで有利には、（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｏ3が副相であるか、もしくは副相として生じる。
【００４６】
１つの実施の形態においては、変換材料ＡＥ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｇｅ4Ｏ14が、Ｃｒでドープされた酸化ガリウム（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｏ3から成る副相を含有している。副相は、すなわちＣｒでドープされたＧａ2Ｏ3は、６５０ｎｍから８５０ｎｍまでの範囲の二次ビームを放射する。特に、ＣｒでドープされたＧａ2Ｏ3のピーク波長は、７００ｎｍから７５０ｎｍまでの範囲にある。
【００４７】
１つの実施の形態においては、各化合物に関するｘおよび／またはｘ’を、独立して選択することができる。有利には、ｘ，ｘ’＝０．００１〜０．０５であり、特に有利には０．００３〜０．０２５、例えば０．００５または０．０１である。
【００４８】
１つの実施の形態においては、変換材料は、Ｎｉ2+でドープされた１つまたは複数の化合物と、Ｃｒ3+でドープされた１つまたは複数の化合物と、の組合せであってよい。
【００４９】
変換材料の組合せによって、ビームの強度の均一な分布が得られる。例えば、発光体Ａy’（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5Ｏ(15+y)/2およびＬｎ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14の組合せを使用することができる。ここで、Ｌｎ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14は、副相として（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｏ3を含有することができる。
【００５０】
少なくとも１つの実施の形態によれば、変換材料は、Ｌａ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14および（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）2Ｏ3を含有しているか、またはそれらの化合物から成る。変換材料を、分子式Ｌａ3（Ｇａ1-x’Ｃｒx’）5ＧｅＯ14に対応する、出発材料を秤量したものから製造することができる。
【００５１】
１つの実施の形態によれば、変換材料は粉末である。粉末は、変換粒子を有することができる。変換粒子は、１μｍから５０μｍまでの、有利には３μｍから２０μｍまでの、特に有利には５μｍから１５μｍまでの粒子直径を有している。粒子サイズを、レーザ回折法によって特定することができる。
【００５２】
１つの実施の形態においては、変換素子は、変換材料およびマトリクス材料を含有しているか、または変換材料およびマトリクス材料から成る。変換材料を、マトリクス材料に埋設させることができる。例えば、変換粒子がマトリクス材料に埋設されている。変換材料を、均一にマトリクス材料に分散させることもできる。しかしながらまた、変換材料を、濃度勾配を持たせてマトリクス材料に分散させることもできる。マトリクス材料は、特に、以下の材料、すなわちシリコーン、ポリシラザン、エポキシド、ポリウレタン、アクリル酸塩、ポリカーボネート、ガラス、セラミックのうちの１つを有しているか、またはそれらから成る。青色のビームを放射する半導体チップが使用される場合、有利にはシリコーンが使用される。何故ならば、このマトリクス材料が、青色のビームに対して非常に安定しているからである。つまり、シリコーンは、素子の動作時間にわたり退色しない、または曇らない。赤色のビームを放射する半導体チップが使用される場合、有利には、エポキシドが使用される。何故ならば、このマトリクス材料は、非常に廉価であり、また湿気に対して低い透過性を有しており、その結果、半導体チップはこの実施の形態において、湿気から非常に良好に保護されており、またこれによって素子の寿命が延びるからである。
【００５３】
二次ビームの他に、変換素子によって熱も生じるので、マトリクス材料として、高い熱伝導率を有しているガラスを使用することは特に有利である。
【００５４】
変換素子の１つの考えられる実現形態は、封止体としての実現形態であり、この場合、封止体は半導体チップを形状結合により包囲する。さらに、半導体チップを形状結合により包囲する封止体を、側壁において、例えばケーシングによって安定させることができ、また封止体は、例えばそのようなケーシングの凹部に存在する。
【００５５】
１つの実施の形態においては、凹部の側壁が反射性に形成されている。これによって、より狭角の放出を達成することができ、したがって、強度を、照明領域において、特に＋／−４０°から＋／−６０°までの放出角度の範囲において高めることができる。これによって、二次ビームを焦点合わせして外側に向かって放出させることが可能である。近赤外線領域にあるビームを、小型の対象物に、または例えばビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を含んでいる分光計によって検査されるべき対象物の小さい領域に、局所的に向けることもできる。したがって、分光計において素子を使用する場合には、試料の分析すべき領域に正確に焦点合わせすることが可能である。
【００５６】
さらに、変換素子を変換層として形成することができる。変換層の場合、変換層は半導体と直接的に接触しており、この場合、変換層の厚さは、例えば半導体チップの厚さよりも薄く、また例えばすべてのビーム出射面において一定の厚さに形成することができる。そのような変換層は、特に以下の方法、すなわちスプレーコーティング、射出成形、トランスファ成形、吹き付け、ディスペンシングまたは電気泳動によって形成される。
【００５７】
１つの実施の形態においては、変換材料は、変換材料およびマトリクス材料の総量に関して、１重量％から６０重量％、有利には５重量％から４０重量％、特に有利には１０重量％から４０重量％である。
【００５８】
変換素子は、さらにプレートまたはシートの形態を取ることができる。プレートまたはシートは、半導体チップの上方に配置されている。変換素子の実現形態のこの更なるヴァリエーションにおいては、変換素子が半導体チップと直接的にかつ／または形状結合によって接触している必要はない。このことは、変換素子と半導体チップとの間に距離があってよいことを意味している。換言すれば、変換素子は、半導体チップに後置されており、また一次ビームによって照明される。この場合、変換素子と半導体チップとの間に、封止体または空隙を形成することができる。この幾何学的な配置構成において有利であることは、特に、変換素子と半導体チップとの間の距離に基づき、半導体チップの廃熱によって、変換素子の加熱が低減されることである。例えば、プレートまたはシートは、シリコーンおよび変換材料を含有しているか、またはシリコーンおよび変換材料から成る。
【００５９】
１つの実施の形態によれば、変換素子が、熱伝導性の材料を含有している。熱伝導性の材料は、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＯ2およびそれらの組合せを含むグループから選択されている。
【００６０】
熱伝導性の材料によって、変換素子に蓄熱は生じず、また一定の発光強度および一定の色度座標をオプトエレクトロニクス素子の長い動作時間にわたり保証することができる。したがって、オプトエレクトロニクス素子の早期の故障を防止することができ、またオプトエレクトロニクス素子の寿命を延ばすことができる。特に、変換材料の量子効率がそれ程高くなく、また二次ビームの他に熱も生じる場合には、熱伝導性の材料の添加が有利である。
【００６１】
１つの実施の形態によれば、変換素子は、一次ビームを、電磁スペクトルの青色、緑色または赤色の領域にある第２の二次ビームに変換する発光体を含有している。したがって、第２の二次ビームは、可視領域にあり、また近赤外線領域にある二次ビームの他に、外側に向かってビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の周囲環境に放出される。このことは、周囲環境のどの箇所に近赤外線領域にある二次ビームが入射すべきかが正確に特定されるべき場合には有利であることが分かった。つまり例えば、分光計において素子を使用する場合には、試料の分析すべき領域に正確に焦点合わせすることが可能である。
【００６２】
１つの実施の形態においては、変換素子が変換材料から成る。例えば、変換素子は変換材料のセラミックであってよい。例えば、変換素子のプレートとしての実施の形態は、変換材料のセラミックから成るプレートである。有利には、プレートの多孔性は低い。これによって、光の不所望な散乱を阻止することができるか、またはほぼ阻止することができ、また良好な廃熱が行われる。
【００６３】
１つの実施の形態においては、素子は光学素子を含んでおり、例えば波長整列素子、例えばレンズを含んでいる。これによって、より狭角の放出を達成することができ、したがって、強度を、照明領域において、特に＋／−４０°から＋／−６０°までの放出角度の範囲において高めることができる。これによって、二次ビームを焦点合わせして外側に向かって放出させることが可能である。近赤外線領域にあるビームを、小型の対象物に、または例えばビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を含んでいる分光計によって検査されるべき対象物の小さい領域に局所的に向けることもできる。したがって、分光計において素子を使用する場合には、試料の分析すべき領域に正確に焦点合わせすることが可能である。
【００６４】
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の説明した実施の形態を、以下に説明する用途に使用することができる。
【００６５】
上述の実施の形態によるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子のセンサ用途への使用が提示される。
【００６６】
上述の実施の形態によるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の分光計における使用が提示される。
【００６７】
本発明によるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子が、近赤外線スペクトル領域において広範で連続的な放射スペクトルを供給することによって、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子は、分光計には十分なものである。これによって、分光計に光源を１つだけ設け、それにもかかわらず、所望の幅にある放射を得ることが可能である。したがって、容易に扱い可能かつ持ち運び可能な分光計を提供することができる。このような分光計は、特に、エンドユーザのもとでの日常的な用途に使用することができる。
【００６８】
分光計を、有機物、例えば食品およびポリマーの分析に使用することができる。
【００６９】
ビーム放射型のオプトエレクトニクス素子の使用の１つの実施の形態においては、分光計がセンサを含んでいる。
【００７０】
１つの実施の形態においては、センサがＳｉ検出器である。有利には、二次ビームの波長が７００ｎｍから１，１００ｎｍの間にある場合に、このセンサが使用される。
【００７１】
本発明によるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子が分光計において使用される場合には、測定時間の間に、すなわち約２５ｍｓから１０ｓまでの期間にわたり、広範で連続的な放射スペクトルが維持され続けることを保証することができる。ここで測定時間とは、実際の測定に使用される時間であると解される。このことは、素子の放射が最大強度に達すると、測定時間が即座に始まることを意味している。特に、スイッチオン過程ならびにスイッチオフ過程は、測定時間には含まれない。測定時間の間に広範で連続的な放射スペクトルが維持され続けるということは、波長に依存する強度変化が突然生じるのではなく、せいぜい測定時間の１／５よりも短い時間で１％から２０％だけ生じることを意味している。さらに、広範で連続的な放射スペクトルを、センサの寿命にわたり、例えば５時間から１，０００時間までの期間にわたり維持し続けることができる。これによって総じて、ｎｍあたりの強度が、センサ系にとって重要な広範なスペクトル領域にわたり十分均一に維持されることを保証することができ、その結果、センサは典型的な指紋スペクトルを再現することができ、かつその寿命にわたり確実に検出することができる。したがって、適切かつ安定した信号がセンサに到達することを保証することができる。
【００７２】
したがって、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の説明した実施の形態は、分光計の構成要素であってよい。
【００７３】
上述の実施の形態のうちの１つによるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を含んでいる分光計が提示される。
【００７４】
１つの実施の形態においては、分光計が、上述の実施の形態のうちの１つによるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子およびセンサを含んでいる。
【００７５】
１つの実施の形態においては、センサがＳｉ検出器である。有利には、二次ビームの波長が７００ｎｍから１，１００ｎｍの間にある場合に、このセンサが使用される。有利には、二次ビームの波長が７００ｎｍから１，１００ｎｍまでの間にあるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を、Ｓｉ検出器と組み合わせることができる。Ｓｉ検出器は、他のセンサに比べて廉価に製造することができる。つまり、総じて分光計を廉価に製造することができる。
【００７６】
１つの実施の形態においては、分光計は、スマートフォンへの搭載に適している。このことは、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の立体的な寸法が小さいことから可能である。これによって、スマートフォンを用いて、例えば食品の内容物、例えば砂糖含有量に関する情報を高速かつ確実に得ることができる。
【００７７】
したがって、１つの実施の形態においては、分光計をスマートフォンに含ませることができる。
【００７８】
上述の実施の形態によるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の内視鏡における使用が提示される。
【００７９】
本発明によるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子が動作時に、例えば７８０ｎｍから７９０ｎｍの間のピーク波長、例えば７８５ｎｍのピーク波長を有している近赤外線領域にあるビームを放射することによって、例えば腫瘍を識別かつ／または診療することができる。すなわち、内視鏡は、光線力学的診断および／または光線力学的治療における使用に適している。有利には、ビームは、約４０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ，ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）を有している。
【００８０】
１つの実施の形態においては、内視鏡は、組織における蛍光造影剤、例えばインドシアングリーンの分布を可視にすることに適しているので、例えばリンパ管炎または器官領域の血行を視覚化することができる。すなわち、近赤外線ビームは、蛍光造影剤のための励起ビームとして使用される。
【００８１】
１つの実施の形態においては、内視鏡におけるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子が、変換材料としてＳｒＧａ11.88Ｃｒ0.12Ｏ19またはＮａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2を有している。
【００８２】
上述の実施の形態のうちの１つによるビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を含んでいる内視鏡が提示される。
【００８３】
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子は、有利には、１つまたは複数の半導体チップを含んでおり、特に半導体チップは、動作時に６１５ｎｍから６５０ｎｍの間または４４０ｎｍから４６０ｎｍの間のドミナント波長を有している一次ビームを放射する。チップ縁部からチップ縁部までの半導体チップの距離は、５０μｍから２５０μｍの間であってよい。変換素子は、プレートとして形成されており、また変換材料と、例えばシリコーン、セラミックまたはガラスと、から成るか、またはそれらを含有している。択一的に、変換素子は、２０μｍから１５０μｍの間の層厚を有している層として、１つまたは複数の半導体チップに吹き付けられているか、またはディスペンシングされている。層は、変換材料およびシリコーン、ポリシラザンまたはガラスを含有することができるか、またはそれらの材料から成るものであってよい。つまり、高い光束密度を有しているビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を提供することができる。さらに、ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を、例えば４Ａ／ｍｍ2チップ面積までの高い電流密度で動作させることができる。
【００８４】
１つの実施の形態によれば、内視鏡は、目標波長を得るためにフィルタを含んでいる。
【００８５】
内視鏡は、熱の発生が非常に少なく、かつ目標波長を達成するためのフィルタリングの際の損失が極僅かであることを特徴としている。僅かなスペースしか必要としない本発明によるビーム放射型の素子を使用することによって、内視鏡の寸法を小さいものに留めることができる。さらに、ビーム放射型の素子は、光束密度が高いことを特徴としており、このことは内視鏡における使用にとって、可能な限り多くの光を内視鏡のファイバに入力結合させるために非常に重要である。高い光束密度を達成するために、特に面発光型の半導体チップが使用される。さらには、従来使用されているランプとは異なり、ウォームアップ時間の経過を待つ必要がないので、内視鏡をスイッチオン直後に使用することができる。
【００８６】
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の説明した実施の形態を、以下に説明する方法に即して製造することができる。
【００８７】
ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子を製造するための方法が提供される。この方法は、以下の方法ステップを含んでいる：
Ａ）素子の動作時に一次ビームを放射するように構成されている半導体チップを準備するステップ、
Ｂ）Ｃｒイオンおよび／またはＮｉイオンと、金属酸化物、金属ハロゲン化物、金属窒化物、金属酸窒化物およびそれらの組合せを含む化合物のグループから選択されているホスト材料と、を含む変換材料を含有している変換素子を製造するステップ、
Ｃ）素子の動作時に半導体チップから放射される一次ビームを、７００ｎｍから１，１００ｎｍの間の波長の二次ビームに変換するように構成されている変換素子を、半導体チップの上に設けるステップ。
【００８８】
量子ドットとは異なり、保護ガス雰囲気を要することなく、また包囲する保護層も要することなく、本発明による変換材料を製造して取り扱うことができ、したがってビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の工業的に廉価な製造が実現される。
【００８９】
１つの実施の形態においては、変換材料が、Ｃｒ3+イオンおよび／またはＮｉ2+イオンを含有している。
【００９０】
１つの実施の形態においては、方法ステップＢ）が、方法ステップＢＢ）：
ＢＢ）変換材料を製造するステップ、
を含んでいる。
【００９１】
１つの実施の形態においては、方法ステップＢＢ）が、以下の方法ステップ：
ＢＢ１）出発材料を混合するステップ、
ＢＢ２）上記のＢＢ１）において得られた混合物を、７００℃から１，５００℃の間の温度でか焼するステップ、
を含んでいる。
【００９２】
上記の方法ステップＢＢ１）における出発材料の混合を、例えばミキサおよび／またはモルタグラインダを用いて行うことができる。
【００９３】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ２）におけるか焼が、１時間から１０時間にわたり、有利には１時間から５時間にわたり、例えば４時間にわたり行われる。
【００９４】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ１）は、出発材料をまとめ、かつ鉱酸において出発材料を溶解させることを含んでいる。
【００９５】
１つの実施の形態においては、鉱酸が、硫酸、リン酸、塩酸、硝酸およびそれらの組合せを含むグループから選択されている。
【００９６】
鉱酸に出発材料を溶解させることによって、出発材料の均一な混合物が得られ、この混合物は、部分的により反応性が高い出発材料に加水分解される。例えば、使用された酸化物が、水酸化物に加水分解される。これによって、上記の方法ステップＢＢ２）におけるか焼時の反応時間を短縮することができる、かつ／または反応温度を低下させることができる。
【００９７】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ２）の後に、方法ステップＢＢ３：
ＢＢ３）上記の方法ステップＢＢ２）において得られた粉末を碾いて篩に掛けるステップ、
が行われる。有利には、この方法ステップは、粉末が室温まで冷却された後に行われる。
【００９８】
上記の方法ステップＢＢ３）の後に、更なる方法ステップＢＢ４：
ＢＢ４）上記のＢＢ３）において得られた粉末を、７００℃から１，５００℃の間の温度でか焼するステップ、
を行うことができる。
【００９９】
上記の方法ステップＢＢ４）の後に、更なる方法ステップＢＢ５：
ＢＢ５）上記の方法ステップＢＢ４）において得られた粉末を碾いて篩に掛けるステップ、
を行うことができる。有利には、この方法ステップは、粉末が室温まで冷却された後に行われる。
【０１００】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ３）の後に、または方法ステップＢＢ５）の後に、以下の方法ステップ：
ＢＢ６）上記の方法ステップＢＢ３）または方法ステップＢＢ５）において得られた粉末を焼結させて、セラミックに、特に変換材料から成るプレートにするステップ、
が行われる。
【０１０１】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ６）における焼結が、７００℃から１，７００℃の間の温度で、例えば９００℃で行われる。
【０１０２】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ６）における焼結が、１時間から１５時間にわたり、有利には１時間から８時間にわたり、例えば６時間にわたり行われる。
【０１０３】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ３）または方法ステップＢＢ５）において得られた粉末に、上記の方法ステップＢＢ６）における焼結の前に、バインダが混合される。
【０１０４】
１つの実施の形態においては、上記の方法ステップＢＢ３）の後に、または方法ステップＢＢ５）の後に、以下の方法ステップＢＢ７）：
ＢＢ７）上記の方法ステップＢＢ３）または方法ステップＢＢ５）において得られた粉末をマトリクス材料と混合するステップ、
が行われる。
【０１０５】
１つの実施の形態においては、方法ステップＢＢ１）における出発材料が、金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩、金属硝酸塩、金属ハロゲン化物、金属酢酸塩、金属窒化物およびそれらの組合せを含むグループから選択されている。有利には、出発材料が、金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩およびそれらの組合せを含むグループから選択されている。
【０１０６】
１つの実施の形態においては、方法ステップＢＢ１）における出発材料に、フラックスが添加される。この場合、フラックスは例えばホウ酸であってよい。この添加によって、反応性および結晶成長が改善される。
【０１０７】
本発明のさらに有利な実施の形態および発展形態は、図面と関連させて説明する以下の実施例より明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の１つの実施の形態の概略的な側面図を示す。
【図２】ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の１つの実施の形態の概略的な側面図を示す。
【図３】ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の１つの実施の形態の概略的な側面図を示す。
【図４】ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子の１つの実施の形態の概略的な側面図を示す。
【図５】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図６】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図７】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図８】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図９】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図１０】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図１１】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図１２】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図１３】一次ビームを生成する半導体チップを駆動させる電流強度に依存する、変換材料の放射出力を示す。
【図１４】赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップと比較した、本発明による変換材料の１つの実施例の放射を示す。
【図１５】赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップと比較した、本発明による変換材料の１つの実施例の放射を示す。
【図１６】赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップと比較した、本発明による変換材料の１つの実施例の放射を示す。
【図１７】赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップと比較した、本発明による変換材料の１つの実施例の放射を示す。
【図１８】変換材料の１つの実施の形態の反射率および放射を示す。
【図１９】本発明によるビーム放射型の素子の放射スペクトルを示す。
【図２０】本発明によるビーム放射型の素子の放射スペクトルを示す。
【０１０９】
図中、同一の要素、同種の要素または同一に機能する要素には、同一の参照符号を付している。図面、およびそれらの図面に示された要素相互間の大きさの比率は、縮尺通りとみなされるべきはない。むしろ、個々の要素は、より見やすくするため、かつ／またはよりよい理解のために、過度に大きく示している場合もある。
【０１１０】
図１に示した、ビーム放射型のオプトエレクトニクス素子１の実施例は、半導体チップ２と、背面コンタクト１５と、前面コンタクト１６と、活性エピタキシャル層列９と、を有しており、この活性エピタキシャル層列９は、動作時に、赤色または青色の一次ビームを放射する。例えば、半導体チップは、リン化アルミニウムインジウムガリウムまたは窒化インジウムガリウムを基礎としている。
【０１１１】
半導体チップ２は、裏面コンタクト１５を用いて、導電性の接続手段によって第１の端子４に固定されている。導電性の接続手段では、例えば、金属製はんだ、または接着剤が使用される。前面コンタクト１６は、ボンディングワイヤ１７によって、第２の電気的な端子５に接続されている。
【０１１２】
図１に示した実施例においては、第１の電気的な端子４および第２の電気的な端子５が、光不透過性の、例えば事前に製造されたベースケーシング１０に埋設されており、またこのベースケーシング１０は、凹部１１を備えている。「事前に製造された」とは、半導体チップ２が端子４に実装される前に、ベースケーシング１０が例えば射出成形によって、既に端子４，５に形成されて完成していることと解される。ベースケーシング１０は、例えば、光不透過性のプラスチックを含んでおり、また凹部１１は、その形状に関して、一次ビームおよび二次ビームのための反射器１８として形成されている。反射は、必要に応じて、凹部１１の内壁の適切なコーティングによって実現することができる。その種のベースケーシング１０は、特に、表面実装可能な発光ダイオードにおいて使用される。またベースケーシング１０は、半導体チップ２の実装前に、電気的な端子４，５を有している導体テープに、例えば射出成形および／またはトランスファ成形によって被着される。
【０１１３】
図１の実施例において、変換素子６は、封止体として形成されており、また図１に示されているように、凹部１１に充填される。この場合、変換素子は、変換材料と、その変換材料が埋め込まれているマトリクス材料と、を含有している。マトリクス材料は、例えばシリコーンである。変換材料は、変換粒子として存在しており、かつＬａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3を含有しているか、またはＬａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る。ここで変換材料は、その結晶格子内に欠陥サイトを殆ど有していないので、その結果、変換材料の残光は、電流の遮断時に行われないか、もしくは非常に短い期間にしか行われない。半導体チップ２から放射される一次ビームは、少なくとも部分的に、変換材料によって、７００ｎｍから１，０５０ｎｍまでの間の波長の二次ビームに変換される。
【０１１４】
ここに記載するビーム放射型のオプトエレクトニクス素子の別の実施例を、図２と関連させて説明する。図２の実施例においては、変換素子６が、１つの層として形成されている。変換素子６は、ガラスから成り、このガラスには、例えばＬａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る変換材料の変換粒子が均一に分散されている。
【０１１５】
変換素子６は、半導体チップ２に直接的に被着されている。半導体チップ２および電気的な端子４，５の少なくとも一部は、ビーム透過性のエンベロープ１３によって包囲されており、このエンベロープは、変換素子６を通過して放出されるビームの波長変化または周波数変化を生じさせない。ビーム透過性のエンベロープを、例えば、シリコーン、エポキシド、ポリウレタンまたはガラスのうちの少なくとも１つの材料から形成することができる、かつ／またはビーム透過性のエンベロープは、シリコーン、エポキシド、ポリウレタンまたはガラスのうちの少なくとも１つを含有することができる。
【０１１６】
図３に示した実施例においては、第１の電気的な端子４および第２の電気的な端子５が、光不透過性の、場合によっては事前に製造されたベースケーシング１０に埋設されており、またこのベースケーシング１０は、凹部１１を備えている。図３から見て取れるように、半導体チップ２の露出された表面および電気的な端子４，５の一部は、少なくとも部分的に、かつ／または直接的に、ビーム透過性のエンベロープ１２によって包囲されている。このビーム透過性のエンベロープ１２は、半導体チップ２から放射される一次ビームの波長変化を生じさせない。ビーム透過性のエンベロープ１２は、例えば、上述のビーム透過性の材料のうちの１つから成るか、またはそれらの材料のうちの少なくとも１つを含有している。さらにこの実施の形態においては、凹部１１をガスで充填することができる。
【０１１７】
図３の凹部１１は、セラミック変換材料から成る変換素子６によって覆われており、この変換素子６は、別個に製造されてベースケーシング１０に固定されたプレート６である。例えば、プレートは、Ｃａ3Ｇａ1.98Ｃｒ0.02Ｇｅ4Ｏ14セラミックから成るプレートである。
【０１１８】
図３の変換素子６から光をより良好に出力結合させるために、素子の側面において、ビーム出射面にレンズ状のカバー２１を設けることができ、このレンズ状のカバー２１によって、変換素子６内のビームの全反射が低減される。このレンズ状のカバー２１は、特にビーム透過性のプラスチックまたはガラスから成るものであってよく、かつ変換素子６に例えば接着させることができるか、または直接的に変換素子６の構成要素として形成することができる。
【０１１９】
図４に示した実施例においては、第１の電気的な端子４および第２の電気的な端子５が、光不透過性の、場合によっては事前に製造されたベースケーシング１０に埋設されており、またこのベースケーシング１０は、凹部１１を備えている。図４から見て取れるように、半導体チップ２の露出された表面および電気的な端子４，５の一部は、少なくとも部分的に、かつ／または直接的に、ビーム透過性のエンベロープ１２によって包囲されている。このビーム透過性のエンベロープ１２は、半導体チップ２から放射される一次ビームの波長変化を生じさせない。ビーム透過性のエンベロープ１２は、例えば、上述のビーム透過性の材料のうちの１つから成るか、またはそれらの材料のうちの少なくとも１つを含有している。さらにこの実施の形態においては、凹部１１をガスで充填することができる。変換素子６は、半導体チップ２に直接的に配置されている。変換素子６は、プレートとして形成されており、かつ例えばＮａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2セラミックから成る。
【０１２０】
さらに、半導体チップ２と変換素子６との間には、固着層（ここでは図示せず）を設けることができる。
【０１２１】
とりわけ、オプトエレクトニクス素子１はＬＥＤであり、ビームは、図１から図４において、変換素子６を介して上方に向かって出力結合される。
【０１２２】
図５から図１２には、変換材料の種々の実施例の種々の一次ビームでの、反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。ｘ軸には、ｎｍの単位で波長λが、またｙ軸には、放射の相対反射率ないし相対強度がそれぞれプロットされている。放射スペクトルを測定するために、粒子の形態の変換材料が、シリコーンから成るマトリクス材料に導入され、また４５０ｎｍまたは６３７ｎｍの一次ビームを有している半導体チップの上方に配置された。
【０１２３】
図５には、励起波長における、すなわち４５０ｎｍの一次ビームにおける、（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る副相を有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。変換材料は、約４５０ｎｍおよび６４０ｎｍにおいて、最も低い反射を示し、したがって、約４５０ｎｍおよび６２０ｎｍにおいて、つまり青色および赤色のスペクトル領域にある一次ビームで最良に励起される。変換材料は、７００ｎｍから１，０５０ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、７００ｎｍから約１，０００ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約７８０ｎｍの波長において、放射は最大になる。広範な放射は、Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の２つの別個の放射帯域の重畳と、使用されるホスト格子の種類に基づく。
【０１２４】
（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る副相を有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14は、３６．２７ｍｍｏｌのＬａ2Ｏ3、１０５．４４ｍｍｏｌのＧａ2Ｏ3、４２．１８ｍｍｏｌのＧｅＯ2，２．１１ｍｍｏｌのホウ酸および０．５２７ｍｍｏｌのＣｒ2Ｏ3が、ミキサおよびモルタグラインダにおいて混合物に加工されることによって製造された。ミキサとして、二重非対称遠心分離機とも称されるＳｐｅｅｄＭｉｘｅｒ（商標）が、すなわちミキサカップの二重の回転を基礎とする実験混合システムが使用される。この際、ホウ酸がフラックスとして機能し、これによって反応性／結晶成長が改善される。そのようにして製造された粉末は、コランダム坩堝に移され、９５０℃で４時間にわたり熱処理される。室温まで冷却された後に、焼結された粉末は、碾かれて篩に掛けられ、続いて１，３００℃で４時間にわたり第２の熱処理ステップを受ける。そのようにして得られた、焼結された材料は、モルタグラインダを用いて粉砕され、また比較的粗い粒子（＞３０μｍ）を取り除くために、３０μｍのメッシュサイズを有する分析篩に掛けられる。
【０１２５】
図６には、励起波長における、すなわち６３７ｎｍの一次ビームにおける、（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る副相を有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。波長に依存する反射率は、図５に示したものに相当する。変換材料は、７００ｎｍから１，０５０ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、約７８０ｎｍから約１，０００ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約９００ｎｍの波長において、放射は最大になる。広範な放射は、Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の２つの別個の放射帯域の重畳に基づく。
【０１２６】
図７には、励起波長における、すなわち４５０ｎｍの一次ビームにおける、（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る副相を有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。変換材料は、約４５０ｎｍおよび６４０ｎｍにおいて、最も低い反射を示し、したがって、約４５０ｎｍおよび６２０ｎｍにおいて、つまり青色および赤色のスペクトル領域にある一次ビームで最良に励起される。変換材料は、７００ｎｍから１，０５０ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、７００ｎｍから約１，０５０ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約７８０ｎｍから９２０ｎｍまでの波長において、放射は最大になる。広範な放射は、Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の２つの別個の放射帯域の重畳と、使用されるホスト格子の種類に基づく。
【０１２７】
（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る副相を有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14は、６３．１５ｍｍｏｌのＬａ2Ｏ3、１０５．２６ｍｍｏｌのＧａ2Ｏ3、４２．１０ｍｍｏｌのＧｅＯ2、２．１１ｍｍｏｌのホウ酸および１．０５２ｍｍｏｌのＣｒ2Ｏ3が、ミキサおよびモルタグラインダにおいて混合物に加工されることによって製造された。ミキサとしてＳｐｅｅｄＭｉｘｅｒ（商標）が使用される。そのようにして製造された粉末は、コランダム坩堝に移され、９５０℃で４時間にわたり熱処理される。室温まで冷却された後に、焼結された粉末は、碾かれて篩に掛けられ、続いて１，３００℃で４時間にわたり第２の熱処理ステップを受ける。そのようにして得られた、焼結された材料は、モルタグラインダを用いて粉砕され、また比較的粗い粒子（＞３０μｍ）を取り除くために、３０μｍのメッシュサイズを有する分析篩に掛けられた。
【０１２８】
図８には、励起波長における、すなわち６３７ｎｍの一次ビームにおける、（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から成る副相を有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。波長に依存する反射率は、図７に示したものに相当する。変換材料は、７００ｎｍから１，０５０ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、約８００ｎｍから約１，０５０ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約９１０ｎｍの波長において、放射は最大になる。広範な放射は、Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の２つの別個の放射帯域の重畳と、使用されるホスト格子の種類に基づく。
【０１２９】
図９には、励起波長における、すなわち４５０ｎｍの一次ビームにおける、変換材料Ｃａ3Ｇａ1.98Ｃｒ0.02Ｇｅ4Ｏ14の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。変換材料は、約４５０ｎｍおよび６２０ｎｍにおいて、最も低い反射を示し、したがって、この波長において、つまり青色および赤色のスペクトル領域にある一次ビームで最良に励起される。変換材料は、７００ｎｍから９００ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、７００ｎｍから約８５０ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約７６０ｎｍの波長において、放射は最大になる。
【０１３０】
変換材料Ｃａ3Ｇａ1.98Ｃｒ0.02Ｇｅ4Ｏ14は、４９．４９ｍｍｏｌのＣａＣＯ3、０．３３ｍｍｏｌのＣａＦ2、１６．５０ｍｍｏｌのＧａ2Ｏ3、６５．９９ｍｍｏｌのＧｅＯ2および０．１６５ｍｍｏｌのＣｒ2Ｏ3が、ミキサおよびモルタグラインダにおいて混合物に加工されることによって製造された。ミキサとしてＳｐｅｅｄＭｉｘｅｒ（商標）が使用される。そのようにして製造された粉末は、コランダム坩堝に移され、１，１５０℃で４時間にわたり熱処理される。室温まで冷却された後に、焼結された粉末は、碾かれて篩に掛けられ、続いて１，２００℃で４時間にわたり第２の熱処理ステップを受ける。そのようにして得られた、焼結された材料は、モルタグラインダを用いて粉砕され、また比較的粗い粒子（＞３０μｍ）を取り除くために、３０μｍのメッシュサイズを有する分析篩に掛けられた。
【０１３１】
図１０には、励起波長における、すなわち６３７ｎｍの一次ビームにおける、変換材料Ｃａ3Ｇａ1.98Ｃｒ0.02Ｇｅ4Ｏ14の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。波長に依存する反射率は、図９に示したものに相当する。変換材料は、７００ｎｍから９００ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、約７００ｎｍから約８６０ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約７６０ｎｍの波長において、放射は最大になる。
【０１３２】
図１１には、励起波長における、すなわち４５０ｎｍの一次ビームにおける、変換材料Ｎａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。変換材料は、約４４０ｎｍおよび６１０ｎｍにおいて、最も低い反射を示し、したがって、この波長において、つまり青色および赤色のスペクトル領域にある一次ビームで最良に励起される。変換材料は、７００ｎｍから９００ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、７００ｎｍから約８９０ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約７９０ｎｍの波長において、放射は最大になる。
【０１３３】
変換材料Ｎａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2は、６４．０３ｍｍｏｌのＮａ2ＣＯ3、２２８．６９ｍｍｏｌのＧａ2Ｏ3および２．２９ｍｍｏｌのＣｒ2Ｏ3が、ミキサおよびモルタグラインダにおいて混合物に加工されることによって製造された。ミキサとしてＳｐｅｅｄＭｉｘｅｒ（商標）が使用される。そのようにして製造された粉末は、コランダム坩堝に移され、１，２５０℃で４時間にわたり熱処理される。室温まで冷却された後に、焼結された粉末は、碾かれて篩に掛けられ、続いて１，２５０℃で４時間にわたり第２の熱処理ステップを受ける。そのようにして得られた、焼結された材料は、モルタグラインダを用いて粉砕され、また比較的粗い粒子（＞３０μｍ）を取り除くために、３０μｍのメッシュサイズを有する分析篩に掛けられた。
【０１３４】
図１２には、励起波長における、すなわち６６５ｎｍの一次ビームにおける、変換材料Ｎａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。波長に依存する反射率は、図１１において生じた反射率に相当する。変換材料は、７００ｎｍから９００ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、７００ｎｍから約８９０ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約７９０ｎｍの波長において、放射は最大になる。
【０１３５】
図１３において、ｘ軸には、ｎｍの単位で波長λがプロットされており、またｙ軸には、副相として（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3を含有している発光体Ｌａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14についての放射の相対強度がプロットされている。放射の相対強度は、種々の電流強度において記録された。参照符号Ｉが付されている曲線は、５ｍＡの電流強度での相対強度を表し、また参照符号ＩＩが付されている曲線は、１，０００ｍＡの電流強度での相対強度を表す。電流強度の増大時に、７８０ｎｍの範囲における放射の強度は、９５０ｎｍの範囲における放射の強度よりも大きく低下することが見て取れる。このことから、２つの別個の放射帯域が生じていること、すなわち、一方はＬａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14から生じており、他方は（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3から生じていることが分かる。これらの放射帯域は、一次ビームの強度に応じて異なる量子効率を示す。電流強度の増大時の放射強度のこの低下を抑制するために、第２の変換材料または更なる変換材料、例えば、放射帯域を１つだけ有しており、かつその最大値が、図１１および図１２から見て取れるように、まさに７８０ｎｍにある変換材料Ｎａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2を添加することができる。したがって、変換材料のそのような組合せによって、安定した広範な放射が達成される。
【０１３６】
図１４から図１７には、本発明による変換材料の種々の実施例の放射の相対強度が、赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップと比較されて示されている。ｘ軸には、ｎｍの単位で波長λが、またｙ軸には、放射の相対強度がそれぞれプロットされている。放射スペクトルを測定するために、粒子の形態の変換材料が、シリコーンから成るマトリクス材料に導入され、また青色および赤色のスペクトル領域にある一次ビームを有している半導体チップの上方に配置された。
【０１３７】
図１４には、副相として（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3を含有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.95Ｃｒ0.05ＧｅＯ14の放射の相対強度が、青色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ａが付された曲線）と、赤色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ｂが付された曲線）と、で示されている。参照符号Ｃが付された曲線は、赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップの放射の相対強度を示している。曲線Ａから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７００ｎｍから約１，０５０ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。最大強度は、ここでは約８０％である。曲線Ｂから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７５０ｎｍから約１，０５０ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。最大強度は、ここでは約７０％である。二次ビームの強度は、曲線Ａでは、約７７５ｎｍから９５０ｎｍまでの範囲において、ｎｍあたり最大で５％変化し、これは所定の範囲においてはほぼ一定であり、また曲線Ｂでは、約８７５ｎｍから９７５ｎｍまでの範囲において、ｎｍあたり最大で５％変化する。曲線Ａおよび曲線Ｂにおける偏位はノイズであり、したがって測定点ではなく、比較的長い測定時間によって取り除くことができる測定アーチファクトである。従来の半導体チップは、７００ｎｍから１，０５０ｎｍまでの範囲における広範で連続的な放射の要求を満たしていないので、本発明による変換材料に比べて、分光計における用途ないしセンサ用途に適していないことが分かる。曲線Ｃから見て取れるように、放射の強度は、約８２５ｎｍから８７５ｎｍまでの範囲、すなわち約５０ｎｍの範囲でしか、ここでは１００％である放射の最大強度の２０％を上回っていない。したがって、この放射は狭帯域の放射である。
【０１３８】
図１５Ａには、副相として（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3を含有している変換材料Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14の放射の相対強度が、青色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ｄが付された曲線）と、赤色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ｅが付された曲線）と、で示されている。放射スペクトルは、Ｌａ3Ｇａ4.975Ｃｒ0.025ＧｅＯ14および（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の放射を重畳したものである。参照符号Ｃが付された曲線は、赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップの放射の相対強度を示している。曲線Ｄから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７００ｎｍから約１，０００ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。最大強度は、ここでは約９０％である。曲線Ｅから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７５０ｎｍから約１，０５０ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。最大強度は、ここでは約７０％である。さらに、曲線Ｄおよび曲線Ｅの二次ビームの強度は、少なくとも４０ｎｍの範囲において、ｎｍあたり５％を超えて変化することはない。曲線Ｄおよび曲線Ｅにおける偏位はノイズであり、したがって測定点ではなく、比較的長い測定時間によって取り除くことができる測定アーチファクトである。従来の半導体チップは、７００ｎｍから１，０５０ｎｍまでの範囲における広範で連続的な放射の要求を満たしていないので、本発明による変換材料に比べて、分光計における用途ないしセンサ用途に適していないことが分かる。曲線Ｃから見て取れるように、放射の強度は、約８２５ｎｍから８７５ｎｍまでの範囲、すなわち約５０ｎｍの範囲でしか、ここでは１００％である放射の最大強度の２０％を上回っていない。
【０１３９】
図１５Ｂには、青色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合の、変換材料（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の放射の相対強度（参照符号Ｋ）と、副相として（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3を含有している変換材料Ｌａ3（Ｇａ，Ｃｒ）5ＧｅＯ14の放射の相対強度（参照符号Ｌ，Ｍ，Ｎ）と、が示されている。図１５Ｂの表には、変換材料の各組成が示されている。最初の列には、それぞれ参照符号が示されており、２番目および３番目の列にはそれぞれ、Ｌａ3（Ｇａ，Ｃｒ）5ＧｅＯ14およびβ−（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の割合が重量％で示されている。副相β−（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の割合は、Ｘ線撮影によって特定された。見て取れるように、約７５０ｎｍの範囲および約９２０ｎｍの範囲における比率は、β−（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3のここでの割合に応じて変化する。β−（Ｇａ，Ｃｒ）2Ｏ3の重量割合が増加すると、放射の相対強度は、９２０ｎｍの範囲においては低下し、７５０ｎｍの範囲においては増加する。
【０１４０】
図１６には、変換材料Ｎａ1.4Ｇａ4.95Ｃｒ0.05Ｏ8.2の放射の相対強度が、青色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ｆが付された曲線）と、赤色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ｇが付された曲線）と、で示されている。参照符号Ｃが付された曲線は、赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップの放射の相対強度を示している。曲線Ｇから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７００ｎｍから約９２５ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。最大強度は、ここでは約１００％である。曲線Ｆから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７００ｎｍから約９２５ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。さらに、曲線Ｇおよび曲線Ｆの二次ビームの強度は、少なくとも４０ｎｍの範囲において、ｎｍあたり５％を超えて変化することはない。曲線Ｇおよび曲線Ｆにおける偏位はノイズであり、したがって測定点ではなく、比較的長い測定時間によって取り除くことができる測定アーチファクトである。従来の半導体チップは、７００ｎｍから１，０５０ｎｍまでの範囲における広範で連続的な放射の要求を満たしていないので、本発明による変換材料に比べて、分光計における用途ないしセンサ用途に適していないことが分かる。曲線Ｃから見て取れるように、放射の強度は、約８２５ｎｍから８７５ｎｍまでの範囲、すなわち約５０ｎｍの範囲でしか、ここでは１００％である放射の最大強度の２０％を上回っていない。
【０１４１】
図１７には、変換材料Ｃａ3Ｇａ1.98Ｃｒ0.02Ｇｅ4Ｏ14の放射の相対強度が、青色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ｈが付された曲線）と、赤色のスペクトル領域にある一次ビームで励起された場合（参照符号Ｊが付された曲線）と、で示されている。参照符号Ｃが付された曲線は、赤外線領域にある一次ビームを放射する従来の半導体チップの放射の相対強度を示している。曲線Ｈから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７００ｎｍから約８５０ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。曲線Ｊから見て取れるように、二次ビームの強度、すなわち放射の強度は、約７２５ｎｍから約９５０ｎｍまでの範囲において、二次ビームの最大強度の２０％を上回る。最大強度は、ここでは約３５％である。さらに、曲線Ｈおよび曲線Ｊの二次ビームの強度は、少なくとも４０ｎｍの範囲において、ｎｍあたり５％を超えて変化することはない。曲線Ｈおよび曲線Ｊにおける偏位はノイズであり、したがって測定点ではなく、比較的長い測定時間によって取り除くことができる測定アーチファクトである。従来の半導体チップは、７００ｎｍから１，０５０ｎｍまでの範囲における広範で連続的な放射の要求を満たしていないので、本発明による変換材料に比べて、分光計における用途ないしセンサ用途に適していないことが分かる。
【０１４２】
図１８には、励起波長における、すなわち４６０ｎｍの一次ビームにおける、変換材料としてのＳｒＧａ11.88Ｃｒ0.12Ｏ19の反射率（破線）および放射の相対強度（実線）が示されている。ｘ軸には、ｎｍの単位で波長λがプロットされており、またｙ軸には、放射の相対反射率ないし相対強度がプロットされている。放射スペクトルを測定するために、シリコーンから成るマトリクス材料に導入された、粒子の形態の変換材料が、４６０ｎｍの一次ビームで励起された。変換材料は、約４６０ｎｍおよび６００ｎｍにおいて、最も低い反射を示し、したがって、この波長において、つまり青色および赤色のスペクトル領域にある一次ビームで最良に励起される。変換材料は、７２０ｎｍから７８０ｎｍの間で広範で連続的な放射を示し、この場合、相対強度は、７００ｎｍから約８００ｎｍまでの範囲において５０％を上回る。約７７０ｎｍの波長において、放射は最大になる。
【０１４３】
変換材料ＳｒＧａ11.88Ｃｒ0.12Ｏ19は、１４．９６ｍｍｏｌのＳｒＣＯ3、０．７８ｍｍｏｌのＳｒＦ2、９３．５３ｍｍｏｌのＧａ2Ｏ3および０．９４ｍｍｏｌのＣｒ2Ｏ3が、ミキサにおいて混合物に加工されることによって製造された。ミキサとしてＳｐｅｅｄＭｉｘｅｒ（商標）が使用される。そのようにして製造された粉末は、コランダム坩堝に移され、１，４５０℃で４時間にわたり熱処理される。室温まで冷却された後に、そのようにして得られた、焼結された材料は、モルタグラインダを用いて粉砕され、また比較的粗い粒子（＞３０μｍ）を取り除くために、３０μｍのメッシュサイズを有する分析篩に掛けられる。
【０１４４】
図１９には、ビーム放射型の素子の放射スペクトルが示されている。ｘ軸には、ｎｍの単位で波長λが示されており、またｙ軸には、Ｗ／ｎｍの単位で、７００ｍＡの動作電流でのスペクトル電力密度ＳＬＤが示されている。ここでは、４４０ｎｍから４４５ｎｍのドミナント波長を有している、青色放射型のＩｎＧａＮ半導体チップが、支持体に接着されて電気的に接続された。半導体チップは、変換材料としてのＳｒＧａ11.88Ｃｒ0.12Ｏ19およびシリコーンから成る混合物によって封止された。ここでは、変換材料およびシリコーンの総量に関して、変換材料の割合が３０重量％である。７００ｍＡの動作電流において、７６０ｎｍ＋／−５０ｎｍの範囲では、４０ｍＷの近赤外線ビームが放射された。７６０ｎｍ＋／−２０ｎｍの範囲では、光電流は２０ｍＷであった。
【０１４５】
図２０には、ビーム放射型の素子の放射スペクトルが示されている。ｘ軸には、ｎｍの単位で波長λが示されており、またｙ軸には、Ｗ／ｎｍの単位で、７００ｍＡの動作電流でのスペクトル電力密度ＳＬＤが示されている。ここでは、６３５ｎｍのドミナント波長を有している、赤色放射型のＡｌＧａＩｎＰ半導体チップが、支持体に接着されて電気的に接続された。半導体チップは、変換材料としてのＳｒＧａ11.88Ｃｒ0.12Ｏ19およびシリコーンから成る混合物によって封止された。ここでは、変換材料およびシリコーンの総量に関して、変換材料の割合が３０重量％である。７００ｍＡの動作電流において、７６０ｎｍ＋／−５０ｎｍの範囲では、４７ｍＷの近赤外線ビームが放射された。７６０ｎｍ＋／−２０ｎｍの範囲では、光電流は２４ｍＷであった。
【０１４６】
本発明は、実施例に基づいた上記の説明によって、それらの実施例に限定されるものではない。むしろ本発明は、新規の特徴、またとりわけ特許請求の範囲に記載されている複数の特徴のあらゆる組合せを内容とする、複数の特徴のあらゆる組合せを含むものであり、このことはその特徴またはその組合せ自体が明示的に特許請求の範囲または実施例に記載されていない場合であっても当てはまる。
【符号の説明】
【０１４７】
１  ビーム放射型のオプトエレクトロニクス素子
２  半導体チップ
４  第１の端子
５  第２の電気的な端子
６  変換素子
９  活性エピタキシャル層列
１０  ベースケーシング
１１  凹部
１２，１３  ビーム透過性のエンベロープ
１５  背面コンタクト
１６  前面コンタクト
１７  ボンディングワイヤ
１８  反射器
２１  レンズ状のカバー
λ  波長
ｎｍ  ナノメートル
μｍ  マイクロメートル
Ｉ  ５ｍＡの電流強度における相対強度
ＩＩ  １，０００ｍＡの電流強度における相対強度
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ  放射の相対強度
ＳＬＤ  スペクトル電力密度
ｗｔ％  重量パーセント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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