(57)【要約】  本発明は、半導体チップ（１）とカバー層（２）を有する構成体に関するものであり、半導体チップ（１）は動作時に光を放射するように構成されており、カバー層（２）は前記半導体チップ（１）の光放射表面に対向しており、これにより半導体チップから放射された光はカバー層に浸透する。この構成体は本発明によれば、チップ（１）と重なるカバー層（２）の領域には光を偏向する構造体が設けられており、該構造体によって、前記カバー層（２）を透過する光はカバー層（２）の長手伸長部の方向に偏向され、前記カバー層（２）は光導体として作用し、光が分散され、カバー層の上側を介して放射されるように構成されている、ことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作時に光を放射するように構成された半導体チップ（１）と、光を放射する前記半導体チップ（１）の表面に対向するカバー層（２）とを備える構成体であって、半導体チップ（１）から放射された光がカバー層（２）に浸透する形式の構成体において、
・チップと重なるカバー層（２）の領域には光を偏向する構造体（４，７，９，１１，１５，１６）が設けられており、
該構造体によって、前記カバー層（２）を透過する光はカバー層（２）の長手伸長部の方向に偏向され、
・前記カバー層（２）は光導体として作用し、光が分散され、カバー層の上側を介して放射されるように構成されている、ことを特徴とする構成体。
【請求項２】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）の方向を指す方向は半導体チップ（１）の主照射方向である、ことを特徴とする構成体。
【請求項３】
請求項１記載の構成体において、
半導体チップ（１）は、反対方向の２つの主照射方向を有する、ことを特徴とする構成体。
【請求項４】
請求項２または３記載の構成体において、
半導体チップ（１）は、薄膜チップ、とりわけ基板レス薄膜チップである、ことを特徴とする構成体。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項記載の構成体において、
カバー層（１）の厚さは、7から１５０μｍの間、有利には７から２０μｍの間である、ことを特徴とする構成体。
【請求項６】
請求項１記載の構成体において、
前記カバー層（２）はシートであり、光学的に透明な材料または半透明な材料からなるか、または透過性の材料からなる、ことを特徴とする構成体。
【請求項７】
請求項１記載の構成体において、
半導体チップ（１）とは反対側のカバー層（２）の上側には鏡面化部（７）が設けられており、
該鏡面化部は実質的に、半導体チップ（１）の光放射性表面の大きさを有する、ことを特徴とする構成体。
【請求項８】
請求項１記載の構成体において、
半導体チップ（１）の方向を指すカバー層（２）の側には、鏡面化部（６）が半導体チップ（２）の領域外で設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項９】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）は、半導体チップ（１）の表面と直接接触している、ことを特徴とする構成体。
【請求項１０】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）には光学素子（７，９，１１，１５，１６）が光偏向のために組み込まれており、
該光学素子はプリズム（９）、レンズ（１５）または回折格子である、ことを特徴とする構成体。
【請求項１１】
請求項１記載の構成体において、
光偏向のために、フォトニック結晶からなる層（１６）が設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項１２】
請求項１記載の構成体において、
構成体の厚さは、３０から３００μｍである、ことを特徴とする構成体。
【請求項１３】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）には表面ディフューザが設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項１４】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）内にはボリュームフューザが設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項１５】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）内にはホログラフィックな構造体が設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項１６】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）として、種々異なる構造体および/または種々異なる屈折率を有する複数のシートの組合せが設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項１７】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）と、半導体チップ（１）の表面との間には、結合媒体からなる層（１２）が設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項１８】
請求項１７記載の構成体において、
半導体チップ（１）の表面とカバー層（２）との間の層（１２）は、半導体チップ（２）を電気接触接続するために導電性の光学的構造体を含む、ことを特徴とする構成体。
【請求項１９】
請求項１記載の構成体において、
カバー層（２）内には変換物質が設けられており、
該変換物質は発光体からなり、第１の波長の光により励起されると第２の波長の光を放射する、ことを特徴とする構成体。
【請求項２０】
請求項１記載の構成体において、
カバー層の構造体とフォトニック結晶からなる層（１５）の両方が設けられている、ことを特徴とする構成体。
【請求項２１】
請求項１から２０までのいずれか1項記載の構成体を、ディスプレイ用のバックグランド照明として使用する使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第10 2007 010 755.4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取り入れられる。
【０００２】
本発明は、半導体チップとカバー層を有する構成体に関するものであり、半導体チップは動作時に光を放射するように構成されており、カバー層は前記半導体チップの光放射表面に対向しており、これにより半導体チップから放射された光はカバー層に浸透する。
【背景技術】
【０００３】
この種の構成体は、半導体構成素子の通常の構造に相応する。カバー層は半導体チップを保護し、光の出力結合を行う。
【０００４】
発光半導体チップの適用領域はディスプレイのバックグランド照明である。このために発光ダイオードにより形成された光は大きな面に分散され、そのために光導体プレートまたは光導体シートが使用される。光はそのような光導体プレートから大きな面を介して、後方からディスプレイ層の裏面に照射される。この種の構成体はJP 08007614から公知である。そこに示された構成体では、光が側方から光導体プレートに入力結合される。光導体プレートの下面にプリントされた拡散ラスタは光の出力結合を改善する。この構成体の欠点は、比較的大きく、面倒なことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】JP 08007614
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、バックグランド照明ユニットとして使用することのできる半導体チップを備える構成体を、より簡単かつ小型に構成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１記載の構成体によって解決される。したがって冒頭に述べた構成体では、チップと重なるカバー層の領域に光偏向構造体が設けられており、この構造体を通ってカバー層に浸透する光が、カバー層の長手伸長部の方向に偏向される。ここでカバー層は光導体として作用し、光が分散され、カバー層の上側を介して放射されるように構成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の構成体により、これを小型に、かつワンピースで作製することができる。発光ダイオードと光導体プレートを相互接続する必要はなく、半導体チップのカバー層が同時に光導体プレートないし光導体シートの機能を果たせば良い。偏向構造体は、カバー層に入力結合される光が同じ方向には照射されず、カバー層に偏向されるようにする。これにより光はカバー層の長手伸長部にわたって分散され、チップから離れたカバー層の領域でも出力結合することができる。カバー層を含有する光学的構造シートが半導体表面と直接接触しているか、またはコンタクト層および半導体表面と固定的に結合されていると有利である。これによりシートと半導体チップは統合ユニットを形成する。
【０００９】
本発明の有利な構成では、半導体チップは基板レスの薄膜チップであり、薄膜チップは有利には反対方向に２つの主照射方向を有する。薄膜発光ダイオードは以下の特徴を有する：
・エピタキシャル層列は、２０μm、またはそれ以下の領域、ことに１０μmの領域の厚さを有している。
・エピタキシャル層列には、混合構造をもつ少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層が含まれており、理想的なケースではこの混合構造によりエピタキシャル層列内に近似的に光のエルゴード分布を生じさせる。つまりこの分布は、可能な限りエルゴード的に確率論的な散乱特性を有している。
【００１０】
薄膜発光ダイオードチップはランベルト表面放射器に良く近似する。
【００１１】
薄膜発光ダイオードチップの原理は、例えばI. Schnitzer等によるAppl. Phys. Lett. 63 （16), 18. Oktober 1993, 2174-2176に記載されており、その開示内容は参照により本明細書の引用文献とする。
【００１２】
薄膜チップとしての構成は非常に薄い構成体であるという利点を有する。両側で放射するチップとしての構成は、本発明の構成体により形成されるバックグランド照明ユニットが２つの方向に光を放射できるという利点、または一方向にだけ光を放射すべき場合には、通常使用される基板での損失を回避することができるという利点を有する。
【００１３】
本発明の有利な構成では、半導体チップとは反対側のカバー層の上側が鏡面化されている。これにより半導体チップのメーンビーム方向での照射が半導体チップの上方領域では阻止されるか、または減少される。
【００１４】
光偏向構造体は有利には、カバー層に組み込まれた光学素子によって実現される。ここではとりわけプリズム、レンズまたは回折格子を使用することができる。ここで光偏向構造体は、カバー層自体の中に、またはカバー層の上に、または半導体チップとカバー層との間に形成することができる。
【００１５】
さらに光偏向のために、フォトニック結晶からなる層を設けることもできる。カバー層がホログラフィックな構造体を有することもできる。
【００１６】
さらに表面ディフューザまたはボリュームディフューザが、カバー層に設けられると有利である。このディフューザにより光は種々異なる方向に拡散され、とくに均質な照射特性が得られる。
【００１７】
本発明の有利な改善形態では、カバー層として、種々異なる構造体および/または種々異なる屈折率を有する複数のシートの組合せが設けられている。ここでシートの間の境界面は、付加的に反射および屈折に作用する。
【００１８】
半導体チップの表面とカバー層との間の層に、半導体チップを接触接続するための導電層を設けることも有利である。
【００１９】
別の有利な改善形態では、カバー層に変換物質を設けることができる。この変換物質は発光体を有しており、この発光体は第１の波長の光による励起で第２の波長の光を放射する。このことにより混合光を形成することができる。この混合光は、半導体チップから放射される一次ビームと、発光体により形成される二次ビームからなる。このような混合光は白色光とすることができ、例えば青の一次ビームと黄色の二次ビームからなる。
【００２０】
従属請求項に本発明の別の有利な構成が記載されている。
【００２１】
次に、有利な実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】半導体チップと光導体カバー層とを備える較正体の概略図である。
【図２】カバー層の上側に鏡面化部を有する本発明の構成体を示す。
【図３】カバー層にプリズム構造体を有する本発明の構成体を示す。
【図４】バー層にボリュームディフューザを有する本発明の構成体を示す。
【図５】多層構造とプリズム構造体を有する本発明の構成体を示す。
【図６】光偏向構造体の種々の実施例を示す。
【図７】光偏向構造体の別の実施例を示す。
【図８】両側で放射する薄膜半導体チップを有する本発明の構成体を示す。
【図９】変換層を有する本発明の構成体を示す。
【図１０】２つの変換層を有する本発明の構成体を示す。
【図１１】フレキシブルな導体路を有する本発明の構成体を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１には、半導体チップとカバー層を有する本発明の構成体の基本構造が示されている。半導体チップは層積層体からなり、図示の実施例では２つの層が示されている。半導体チップが薄膜技術で作製される場合、厚さは有利には２０μｍ以下であり、例えば７μｍである。しかしそれより格段に厚い半導体チップを使用することもできる。これは例えば１５０μｍの厚さを有する。半導体チップ１の上側とカバー層２は結合されており、カバー層は透明または半透明な材料からなる。カバー層２は、半導体チップ１から放射される光を大きな面積に分散する役目を引き受ける。これによりこの半導体チップをディスプレイのバックグランド照明に使用することができる。
【００２４】
表面３における半導体チップ１の照射方向は、発光する上側ないし下側に対してもっぱら垂直であり、カバー層２の長手伸長部の方向ではない。本発明によれば、半導体チップの領域に光偏向構造体４が設けられている。この構造体によって光が偏向され、カバー層内を伝播する。ここでカバー層は光導体プレートないし光導体シートとして作用する。
【００２５】
カバー層に対する材料として光学的に透明な材料を使用することができる。しかし例えばかぶり作用を備える半透明の材料を使用することもできる。かぶり作用は材料中の不均質性によって引き起こされる。重要なことはこれが、例えば色素を含むことができる透過性の材料であることである。カバー層は有利には３０μｍから３００μｍの厚さを有する。
【００２６】
図１の構成体は、光をもっぱら上方から放射するように構成されている。したがってカバー層の下側に鏡面化部６が設けられおり、これにより光が下方からカバー層２を去るのが阻止される。したがって光は上側５からだけ出射することができる。半導体チップ１の構造に応じて、半導体チップ１は下側にも同様に光反射層を有し、これにより下方への照射が阻止される。その代わりに、光全体がカバー層２に入力結合され、長手伸長部の方向に偏向される。
【００２７】
図２には、半導体チップ１の主照射方向での、カバー層２の上側で光が可視となるのをどのように阻止できるかを示している。このためにカバー層２の上側に半導体チップの上方領域で鏡面化部７が設けられている。この鏡面化部はそこに発生する光を再び下方に反射する。これにより、光をさらにカバー層２の長手伸長部に偏向することができる。このようにして、半導体チップ１の領域でカバー層の上側に光点が可視となることが阻止される。
【００２８】
図２では、半導体チップに２つの接点面８が設けられており、これにより半導体チップに動作電流が供給される。接点面の配置は概略的に図示されている。もちろん接点は、電流供給に重要な半導体チップの領域と接続されなければならない。すなわち接点面の１つは、半導体チップ１の上側層と接続しなければならない。この注意点は、以下に説明する別の図面にも当てはまる。半導体チップとカバー層２との間のスリットには結合媒体１２を充填することができ、これにより半導体チップ１とカバー層２が結合される。
【００２９】
図２の実施例に示したチップは２つの接点面を有し、これらの接点面はチップ１の下側に配置されている。別のチップは、上側の接触接続と下側の接触接続が行われなければならないように構成されている。この種のチップでは結合層１２が有利には、透明であり、かつ導電性の構造体をそこに配置するために使用される。この構造体は、半導体チップ１の上側を接触接続するために用いられる。
【００３０】
図２に示した導光性シートは、一方ではカバー層２から、他方では第２の層１０からなり、２層のシートが形成されている。カバー層２と、カバー層２の下側端子を形成するその下の層１０との間の境界面、ならびにこの層１０の下側を構造化または被覆することができ、これによりカバー層２内での光のビーム路を所望のように調整する。
【００３１】
図３に示した実施例では、カバー層の中に半導体チップ１の上方領域でプリズム９が形成されている。このプリズムは、プリズムにより形成された境界面で屈折率が跳躍的に変化するため、半導体チップ１から放射される光をカバー層の長手伸長部の方向に屈折する。この作用が光ビームに基づき例として示されている。カバー層２の材料は比較的に高い屈折率を有するが、境界面の他方の側には屈折率ができるだけ小さい材料が存在しなければならない。プリズムの作製の際に形成される凹部に他の材料を充填する必要がなく、開放したままで良いならば、これは単純に空気とすることもできる。
【００３２】
図４に示した実施例では、カバー層２に拡散粒子１１が設けられている。この拡散粒子は半導体チップ１から放射される光を拡散する。拡散粒子は例えば二酸化チタンからなる。二酸化チタンは、約２．８の高い屈折率を有し、このことは、拡散粒子とカバー層２の材料との境界面に全反射または少なくとも強い屈折を引起し、これにより出射された光は偏向される。
【００３３】
図５の実施例では、２層のカバー層２が設けられている。下方層には、図３に基づき説明したようなプリズムが設けられており、上方層は凹型の窪み１５を有する。プリズムと窪みは対向している。上方層にある窪みはレンズとして作用し、照射特性を付加的に調整するために使用することができる。
【００３４】
図６Ａから６Ｆには、本発明の枠内で使用することのできる種々の光偏向構造体が示されている。これらにより、半導体チップ１から放射された光はカバー層の長手伸長部に偏向される。全体として種々の実施例で、半導体チップ１は結合層１２を介してカバー層２と結合されている。カバー層２のそれぞれの構成が異なっている。
【００３５】
図６Ａではカバー層２として透明シート、例えばガラスシートが設けられており、このガラスシートは上側で光学的に構造化されている。図６Ｂによれば、ガラスシートが下側で光学的に構造化されている。図６Ｃでは、光学的構造化部が下側と上側に設けられている。ここで構造化は、チップの出力結合効率が上昇するように構成することができる。図６Ｄには、上側にフォトニック結晶からなる層が設けられた実施例が概略的に示されている。図６Ｅには、光学的構造化部がカバー層内に設けられており、フォトニック結晶が上側に設けられている構成が示されている。
【００３６】
図６Ｆには、付加的に変換層と導電層が設けられている有利な実施例が示されている。
【００３７】
図７の構成では、半導体チップ１の表面に粗面構造体が設けられており、カバー層の構造化された側と接触されている。異なる境界面の組み合わせによって、カバーシート２内での光分布が調整される。この場合、規則的なまたはランダムな構造化表面が可能である。
【００３８】
図８には、両側で放射する薄膜技術での基板レス半導体チップが示されている。この半導体チップは両側でカバーされている。この構成では有利には、基板での損失が発生せず、両側に放射された光を利用することができる。上方にも下方にも放射される光は鏡面化部７で反射され、これにより光導体シートを形成するカバー層２の長手方向に強要される。
【００３９】
図９と図１０でも、変換層を備える本発明の構成を使用することができる。変換層は半導体チップにより形成される一次ビームの一部を二次ビームに変換する。そして一次ビームと二次ビームの混合光が放射される。これは、青色の一次ビームと黄色の二次ビームからなる白色光とすることができる。変換層１３は、半導体チップ１とカバー層２との間に配置される。変換物質として有利には、無機発光体が使用される。図１０の構成では、２つの変換層が設けられており、複雑な色混合が可能である。第２の変換層も、一次ビーム中のＵＶ成分が可視光に変換するために使用することができ、これにより比較的に高い効率が達成される。
【００４０】
図１１に示すように、フレキシブルな導体路と組み合わせることで、薄く、偏平で、３次元に構成できる照明素子が形成される。例えば外套面全体を介して光を放射するシリンダ状の構成体を作製することができる。湾曲した表面にしたがうバックグランド照明を作製することもできる。適用例は自動車ヘッドライトまたはバックライトでの使用である。しかし一般的照明でもこの種の照明素子を、３次元に変形可能であるから多様に使用することができる。
【００４１】
実施例に記載された、半導体チップにより形成された光をカバー層の長手伸長部に偏向するための種々の手段は相互に組み合わせることができ、最適の効率を達成することができる。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
2010520627.tif 000011
【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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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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【国際調査報告】
2010520627.tif 000019
2010520627.tif 000020
2010520627.tif 000021
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2010520627.tif 000029
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