用于机动车辆的矩阵光源

技术领域

本发明涉及一种基于电致发光半导体元件的矩阵光源，特别是用于机动车辆的矩阵光源。本发明特别地涉及一种电力消耗不易表现出电流峰值的矩阵光源。

背景技术

发光二极管(LED)是能够在电流流过时发光的半导体电子部件。在汽车领域，LED技术正越来越多地用于众多的光信号解决方案。LED用于提供照明功能，诸如日间行车灯、信号灯等。LED发出的亮度总体上取决于流过该LED的电流的强度。除其他外，LED的特征在于电流强度阈值。这种最大正向电流通常随着温度的升高而降低。同样地，当LED发光时，在其端子处会观察到等于其正向电压或标称电压的压降。

包括大量初级电致发光光源的LED矩阵阵列的实用性在许多应用领域中是有利的，特别是在机动车辆的照明和发信号领域中是有利的。LED的矩阵阵列可以例如形成光束的形式，该光束的形式有益于照明功能，例如前照灯或日间行车灯。另外，可以使用单个矩阵阵列产生多种不同的照明功能，从而在机动车辆前照灯的有限空间中减小物理体积。

众所周知，矩阵光源或等效地像素化光源由控制单元控制，该控制单元物理上远离光源并且电连接到该光源。初级光源或等效地构成矩阵光源的像素在非常小的尺寸上延伸，每个尺寸约为50μm到200μm，并且每个初级光源或像素在其被启动时仅消耗大约10mA的低强度的电流。然而，当矩阵光源的所有初级光源必须被同时启动时，矩阵光源会消耗高强度的总电流峰值：初级光源消耗的电流乘以像素的数量。对于具有256个像素的矩阵光源，可以观察到大约2.5A的消耗峰值。当像素数量及其各自消耗的电流增加时，该值显然会变得更高。这样的电流峰值会引起电磁辐射，该电磁辐射易于对其他电子部件产生电磁干扰，从而可能会降低其工作性能。在机动车辆的光信号领域中，其中多个电子部件定位在用于容纳机动车辆前照灯的部件的有限的体积内，这种现象变得更加严重。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术带来的问题中的至少一个问题。更确切地，本发明的一个目的是提出一种矩阵光源或像素化光源，当所述矩阵光源或像素化光源的像素被启动时，所述矩阵光源或像素化光源的电流消耗被减少。

根据本发明的第一方面，提出了一种矩阵光源，该矩阵光源包括集成电路和基于电致发光半导体元件的初级光源的矩阵阵列。所述矩阵光源值得注意的是，所述集成电路与所述矩阵阵列接触，并且所述集成电路包括针对至少一个初级光源集合中的每个初级光源的延迟单元，所述延迟单元被配置为在接收到针对所述初级光源集合的启动命令之后延迟所述初级光源的启动达一预定时间段。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于矩阵光源的集成电路。所述集成电路旨在与所述矩阵光源的初级光源的矩阵阵列机械和电接触。所述集成电路值得注意的是，所述集成电路包括针对至少一个初级光源集合中的每个初级光源的延迟单元，所述延迟单元被配置为在接收到针对所述初级光源集合的启动命令之后延迟所述初级光源的启动达一预定时间段。

优选地，初级光源的矩阵阵列可以包括支撑所述初级光源的公共基板。优选地，所述矩阵阵列的公共基板可以包含SiC。

优选地，所述集成电路可以包括Si基板。优选地，集成电路焊接或粘合到所述初级光源的矩阵阵列，例如，焊接或粘合到支撑所述初级光源的公共基板。优选地，集成电路焊接或粘合到公共基板的下表面，所述下表面与包括初级光源的面相反。优选地，集成电路例如通过紧固装置而与公共基板机械接触，并且与该公共基板电接触，所述公共基板在其下表面上具有电连接区域。

所述集合中的每个初级光源的延迟单元在功能上连接到所述集合中的另一初级光源的延迟单元，这样的布置使得仅当第一初级光源的延迟已经消逝时第二初级光源的延迟立即开始消逝。

优选地，每个初级光源的延迟单元可以包括触发电路，所述触发电路用于在与所述触发电路连接的光源自己的延迟已经消逝之后将触发信号发送到与该触发电路连接的光源。

优选地，所述集合中的每个初级光源的延迟可以是一致的。

优选地，所述延迟单元可以包括用于记录延迟值的存储元件。

优选地，所述集合的初级光源的延迟单元可以在功能上顺序地连接以形成链。

优选地，所述光源集合可以包括所述矩阵光源的所有初级光源。

优选地，所述延迟单元可以包括延迟线。

优选地，与所述初级光源的所有初级光源相关联的延迟线通过相同的时钟信号而被计时。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于机动车辆的照明模块。所述照明模块包括矩阵光源和用于驱动向所述光源供电的电路。所述照明模块值得注意的是，所述矩阵光源是根据本发明的一方面的矩阵光源。

像素化光源，或者等效地矩阵光源，优选地可以包括电致发光元件(即，初级光源)的至少一个矩阵阵列，也被称为单片阵列，所述电致发光元件被布置成至少两列乘至少两行。优选地，电致发光源包括电致发光元件的至少一个单片矩阵阵列，也被称为单片矩阵阵列。

在单片矩阵阵列中，电致发光元件从公共基板上生长，并且被电连接以便能够被选择性地启动、被单独地启动、或通过电致发光元件的子集来启动。因此，每个电致发光元件或电致发光元件组可以形成所述像素化光源的初级发光器中的一个，当一个或多个初级发光器的材料被供电时，该初级发光器能够发光。

电致发光元件的各种布置可以满足单片矩阵阵列的这一定义，条件是电致发光元件的主要伸长尺寸中的一个主要伸长尺寸基本垂直于公共基板，以及相比于焊接到印刷电路板的平坦的方形芯片的已知布置中所施加的间距，由一个或多个电致发光元件电气上组合在一起而形成的初级发光器之间的间距较小。

基板可以主要由半导体材料制成。基板可以包括一种或多种其他材料，例如非半导体材料。这些亚毫米尺寸的电致发光元件例如被布置成从基板突出以形成六边形截面的棒。电致发光棒起源于基板的第一面。在这种情况下，使用氮化镓(GaN)形成的每个电致发光棒都可以从基板垂直地或基本垂直地延伸突出，在这种情况下，所述基板由硅与其他材料(例如碳化硅)制成，并且在不脱离本发明的上下文的情况下使用所述基板。举例来说，电致发光棒可以由氮化铝和氮化镓的合金(AlGaN)制成，或者由铝、铟和磷化镓的合金(AlInGaP)制成。每个电致发光棒沿着限定其高度的延伸轴线延伸，每个棒的基底布置在基板的上面的平面中。

有利地，一个且相同的单片矩阵阵列的电致发光棒具有相同的形状和相同的尺寸。电致发光棒分别由端面和沿棒的延伸轴线延伸的周向壁界定。当电致发光棒被掺杂并且被极化时，在半导体源的输出处所产生的光主要从周向壁发射，可以理解的是，光线也可以从端面射出。这样的结果是，每个电致发光棒充当单个发光二极管，并且该光源的亮度首先通过存在的电致发光棒的密度来提高，并且其次通过由周向壁所限定的发光表面的尺寸来提高，并且因此在棒的整个周长和整个高度上延伸。棒的高度可以在2μm与10μm之间，优选地为8μm。棒的端面的最大尺寸小于2μm，优选地小于或等于1μm。

可以理解的是，当形成电致发光棒时，可以将高度从像素化光源的一个区域改变为另一个区域，使得当形成像素化光源的棒的平均高度增加时，可以提高相应区域的亮度。因此，一组电致发光棒可以具有与另一组电致发光棒不同的一个或多个高度，这两组形成同一半导体光源，该半导体光源包括亚毫米尺寸的电致发光棒。电致发光棒的形状也可以从一个单片矩阵阵列变化到另一单片矩阵阵列，特别是在棒的横截面和端面的形状上从一个单片矩阵阵列变化到另一单片矩阵阵列。所述棒具有大体圆柱形的形状，并且所述棒可以特别地具有多边形的横截面，并且更特别地具有六边形的横截面。可以理解的是，重要的是，要能够通过周向壁发出光，周向壁具有多边形的形状或圆形的形状。

此外，端面可以具有基本平坦的并且垂直于周向壁的形状，使得端面基本平行于基板的上表面延伸，或者端面可以具有在其中心处弯曲或成尖的形状，从而增加从该端面发射的光的方向。

优选地，电致发光棒可以布置在二维矩阵中。这种布置可以使得棒被布置成梅花形。一般而言，所述棒以规则的间隔布置在基板上，并且在矩阵阵列的每个尺寸中，两个紧邻的电致发光棒之间的距离应至少等于2μm，优选地在3μm与10μm之间，从而使得通过每个棒的周向壁发射的光能够从电致发光棒的矩阵阵列射出。此外还规定，在相邻的棒的两个延伸轴线之间测量的这些分隔距离不大于100μm。

作为替代方案，单片矩阵阵列可以包括由位于单个基板上的外延电致发光元件的层所形成的电致发光元件，所述外延电致发光元件的层特别地是第一n掺杂的GaN层和第二p掺杂的GaN层，所述单个基板例如由碳化硅制成，并且单片矩阵阵列被切割(通过研磨和/或烧蚀)以形成多个初级发光器，所述多个初级发光器分别源自一个且相同的基板。这种设计的结果是，多个电致发光块全部源自一个且相同的基板，并且彼此电连接，从而能够彼此被选择性地启动。

在根据另一种实施方式的一个示例性实施例中，单片矩阵阵列的基板的厚度可以在5μm与800μm之间，特别地等于200μm；每个块可以具有长度和宽度，每个长度和宽度在50μm与500μm之间，优选地在100μm与200μm之间。在一种变型例中，长度和宽度相等。每个块的高度小于500μm，优选地小于300μm。最后，每个块的出射表面可以通过基板形成在与外延相反的一侧上。两个初级发光器之间具有分隔距离。每个相继的初级发光器之间的距离可以小于1mm，特别地小于500μm，并且优选地小于200μm。

作为替代方案，单片矩阵阵列既具有如上所述的分别从一个且相同的基板伸出的电致发光棒，又具有通过切割被叠加在一个且相同的基板上的电致发光层而获得的电致发光块，所述单片矩阵阵列还可以包括聚合物材料的层，在该聚合物材料的层中至少部分嵌入有电致发光元件。因此，所述层可以在基板的整个范围上延伸，或者仅在给定组的电致发光元件的周围延伸。特别地，聚合物材料可以是基于硅酮的聚合物材料，该聚合物材料形成保护层，该保护层使得可以在不损害光线的扩散的情况下保护电致发光元件。此外，有可能将波长转换装置(例如发光体)一体制备到该聚合物材料的层中，该波长转换装置能够吸收由所述元件中的一个元件所发射的射线中的至少一些射线，并且能够将所吸收的激发光中的至少一些转换成其波长与所述激发光的波长不同的发射光。可以无区别地规定，发光体嵌入到聚合物材料块中，或者布置在该聚合物材料的层的表面上。

像素化光源还可以包括反射材料的涂层，所述反射材料的涂层用于将光线偏转到光源的出射表面。

亚毫米尺寸的电致发光元件在基本平行于基板的平面中限定给定的出射表面。将理解的是，该出射表面的形状根据形成该出射表面的电致发光元件的数量和布置来限定。因此，可以限定发射表面的基本矩形的形状，应理解的是，在不脱离本发明的上下文的情况下，发射表面可以变化并采用任何形状。

通过使用本发明所提出的措施，可以提出一种矩阵光源或像素化光源，当所述矩阵光源或像素化光源的像素被启动时，所述矩阵光源或像素化光源的电流消耗被降低。通过潜在地对于每个像素的启动单独地延迟，本发明能够随着时间使在启动矩阵光源时在已知解决方案中出现的电流强度峰值变平滑。这种使电流消耗变平滑使得电磁辐射的减少，从而降低了位于矩阵光源的物理附近的其他电子部件的电磁干扰的风险。由于每个像素的延迟仍然很短，所以延迟的效果总体上不可见或几乎不可见。

附图说明

借助于示例和附图的描述，将更好地理解本发明的其他特征和优点，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的矩阵光源；

图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的矩阵光源；

图3示出了时序图，该时序图指示了根据现有技术的由矩阵光源接收到启动指令之后每个像素的启动时间、以及根据本发明的一个优选实施例的由矩阵光源接收到启动指令之后每个像素的启动时间；

图4示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的矩阵光源的细节；

图5示出了根据本发明的优选实施例的指示由矩阵光源接收到启动指令之后每个像素的启动时间的时序图。

具体实施方式

除非另有说明，否则针对一个给定的实施例的详细描述的技术特征可以与通过示例的方式描述的其他实施例的上下文中所描述的技术特征相结合并且没有限制。在本发明的各个实施例中，相似的附图标记将用于描述相似的概念。例如，附图标记100、200和300表示根据本发明的矩阵光源的三个实施例。

图1中的图示出了根据本发明的一个优选实施例的像素化光源或矩阵光源100。矩阵光源100包括多个基于电致发光半导体元件的初级光源110和未示出的公共基板，该公共基板与集成电路120机械和电接触并且在功能上连接至该集成电路120。初级光源典型地是发光二极管(LED)。

优选地，矩阵光源100包括单片矩阵阵列部件，在该单片矩阵阵列部件中，初级光源110的半导体层例如布置在所述公共基板上。优选地，初级光源110的矩阵阵列包括具有多个分支的并联组件，每个分支包括电致发光半导体光源110。

通过示例性而非限制性的方式，初级光源的矩阵阵列沿着基板的厚度并且从与该初级光源110的位置相反的端部开始包括第一导电层，该第一导电层沉积在电绝缘基板上。该第一导电层之后是具有的厚度在0.1μm与2μm之间的n掺杂半导体层。该厚度比已知的发光二极管的厚度小得多，对于已知的发光二极管，相应的层具有大约1-2μm的厚度。接下来的层是具有约30nm厚度的有源量子阱层，然后是电子阻挡层，并且最后是p掺杂半导体层，所述p掺杂半导体层具有约300nm的厚度。优选地，第一层是(Al)GaN:Si层，第二层是n-GaN:Si层，并且有源层包括与由GaN制成的势垒相交替的由InGaN制成的量子阱。阻挡层优选地由AlGaN:Mg制成，并且所述p掺杂层优选地由p-GaN:Mg制成。所述n掺杂的氮化镓具有0.0005Ohm/cm的电阻率，而所述p掺杂的氮化镓具有1Ohm/cm的电阻率。因为n掺杂层与已知的LED相比并不那么厚并且需要较短的沉积时间，所以上述那些层的厚度使得可以特别地增加初级光源的内部串联电阻，同时显着减少初级光源的制造时间。举例来说，对于具有2μm的n层的标准配置的LED来说，MOCVD沉积通常需要5个小时的时间，如果该n层的厚度减小到0.2μm，则该时间可以减少50％。

为了获得具有均匀厚度的半导体层的初级光源110，优选地，通过在基板的表面的至少一部分表面上均匀且均一地沉积所述层以覆盖该基板，来制造单片部件100。例如使用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)方法来沉积这些层。例如从专利文件WO 2010/072380 A1或WO 01/46498 A1中知道用于实现它们的这些方法和反应器，其用于在基板上沉积半导体层。因此，在本发明的上下文中将不再描述有关其实施的细节。然后由此形成的层被像素化。作为示例而非限制性的方式，使用已知的光刻方法并且通过在随后对应于基板上的初级光源110之间的空间的位置处进行蚀刻，来去除所述层。因此能够在矩阵光源100的基板上产生数十个一组的、数百个一组的、或数千个一组的像素110，其中，每个单独的像素的表面积均小于1平方毫米，并且总表面积大于2平方毫米，半导体层具有均匀的厚度，并因此具有均匀且高的内部串联电阻。一般而言，每个LED像素的尺寸减小得越多，该LED像素的串联电阻就增加得越大，并且该像素就更能够被电压源驱动。作为替代方案，将包括覆盖基板的表面的至少一部分表面的外延层的基板锯成或分成初级光源，每个所述初级光源在其内部串联电阻方面具有相似的特性。

本发明还涉及包括其他配置的半导体层的基于半导体元件的初级光源的类型。特别地，基板、层的半导体材料、层的布置、层的厚度、以及层之间的任何过孔可以与刚刚描述的示例不同。

优选地，集成电路120被焊接到容置所述初级光源的公共基板的下表面，以便建立与基板和初级光源的机械和电接触。集成电路还对于至少一个初级光源110但优选地对于所有的初级光源110包括延迟单元130，该延迟单元130被配置成使得：在接收到启动命令12之后延迟所述初级光源的启动一预定的时间段，所述启动命令12典型地由矩阵光源100外部的控制单元生成。延迟单元130例如由形成延迟线的电子电路形成。这样的电子电路在现有技术中是众所周知的，并且在本发明的上下文中将不再详细描述电子电路的操作。为每个初级光源110产生的延迟优选地是不同的，使得旨在使矩阵光源100的所有初级光源110同时的控制信号12对于所述初级光源110中的每一个初级光源被不同地延迟，或至少对于所述初级光源的独立的集合被不同地延迟。由于初级光源的启动可能对于每个初级光源分别单独地延迟，所以这可以避免当控制信号12生效时矩阵光源100的电力消耗的单个最大峰值。

使用与(有初级光源驻留在其上的)基板有机械和电接触的集成电路120，使得可以省去有线连接，所述有线连接的数量将至少等于矩阵光源的像素的数量。

取决于矩阵光源，矩阵光源可以通过电源驱动电路而被电压驱动或电流驱动。这样的电路本身在本领域中是已知的，并且在本发明的上下文中将不再详细描述它们的操作。它们涉及至少一个转换器电路，该转换器电路能够将例如由机动车辆内部的电压/电流源(诸如，电池)供应的输入电压/电流转换为具有适合于供能到该矩阵光源的强度的输出电压/电流。当矩阵光源是电压驱动时，每个初级光源(或等效地，每个像素)的驱动仅需要控制如图1示意性示出的开关装置132。通过控制所述装置132的状态，初级光源110可以被选择性地连接到电压源10。开关装置例如由MOSFET场效应晶体管形成，优选地，开关装置的特征在于开关装置的漏极端子与源极端子之间的低压降，并且所述压降由被延迟单元130延迟的控制信号12所控制。

优选地，当制造单片部件100时，不仅开关元件132而且电源电路也可以集成到基板120中。

图2中的图示出了根据本发明的一个优选实施例的像素化光源或矩阵光源200。矩阵光源200包括多个基于电致发光半导体元件的初级光源210和未示出的公共基板，该公共基板与集成电路220接触并且在功能上连接至该集成电路220。初级光源典型地是发光二极管(LED)。

优选地，矩阵光源200是单片部件，在该单片部件中，初级光源210的半导体层布置在公共基板上。优选地，矩阵光源200包括具有多个分支的并联组件，每个分支包括电致发光半导体光源210。

集成电路220还针对至少一个初级光源210但优选地对于所有的初级光源210包括延迟单元230，该延迟单元230被配置成使得在接收到启动命令12之后延迟所述初级光源的启动一预定时间段，该启动命令12优选地是二进制的，典型地由矩阵光源200外部的控制单元生成。延迟单元230例如由形成延迟线的电子电路形成。

取决于矩阵光源，矩阵光源可以通过电源驱动电路而被电压驱动或电流驱动。对开关装置232进行控制使得可以选择性地向初级光源210供电。在图2所示的实施例中，该控制由延迟单元230执行，该延迟单元230再现控制信号12的延迟版本。与各个初级光源210相关联的延迟单元230经由电连接件231而彼此连接，优选地以成链的方式彼此连接。当针对(左侧的)初级光源的延迟已经消逝时，(左侧的)延迟单元230控制所述开关装置232以向初级光源210供电。同时，(左侧的)延迟单元230向与(右侧的)初级光源210相关联的(右侧的)同源延迟单元230发送“启用”触发信号，所述“启用”触发信号例如是二进制信号。仅当从(左侧的)延迟单元接收该“启用”信号时，(右侧的)延迟单元230立即开始对其预定的延迟进行倒数。当用于(右侧的)初级光源的延迟时间已经消逝时，(右侧的)延迟单元230控制所述开关装置232，以向(右侧的)初级光源210供电。即使两个延迟单元被配置为实施相似持续时间的倒数，这也意味着对于两个初级光源的有效延迟是不同的，因为被连接的延迟单元之间的延迟是累积的。对于给定示例中的(右侧的)延迟单元230而言，有效延迟是(左侧的)延迟单元230的有效延迟的两倍。优选地，延迟单元由未被示出的规则的时钟信号来计时。由于形成连接初级光源各自的延迟单元的链的一部分的初级光源的启动针对每个初级光源被分别地延迟，所以这使得可以避免当控制信号12生效时矩阵光源200的电力消耗的单个最大峰值。

图3示出了用于对图2中的延迟单元230计时的规则的二进制时钟信号随时间的演变。在时钟信号下方，示出了使用现有技术中已知的矩阵光源的三个像素的启动时间：由n-1、n和n+1指示的像素被同时供电，对应于接收到启动指令12。在图3的底部，示出了使用根据附图的实施例的矩阵光源的三个像素的启动时间。像素n-1、像素n和像素n+1中的每一个像素的延迟单元在功能上彼此相互连接，使得仅当像素n-1的延迟已经消逝时，像素n的延迟立即开始消逝，依此类推。在这种情况下，每个延迟单元实施一个时钟周期的相同延迟。

在所示的示例中，延迟单元关于时钟信号的上升沿是同步的，并且这并不对本发明进行限制。具体地，延迟单元还可以关于时钟信号的上升沿或者关于时钟信号的周期中的预定点同步。

图4中的图示出了根据本发明的一个优选实施例的像素化光源或矩阵光源300的集成电路的细节。矩阵光源300包括多个基于电致发光半导体元件的初级光源310以及未示出的公共基板，该公共基板与集成电路接触并且在功能上连接至该集成电路。初级光源典型地是发光二极管(LED)。

所述集成电路还针对至少一个初级光源但优选地针对所有初级光源包括延迟单元330，该延迟单元330被配置为在接收到启动命令12之后延迟所述初级光源的启动一预定时间段，启动命令12优选地是二进制的，通常是由矩阵光源300外部的控制单元生成。初级光源的延迟单元30彼此相互连接，就像参考图2所描述的实施例中一样，并且由公共的规则的二进制时钟信号14来计时。

延迟单元330包括例如由比较电路形成的逻辑单元333。逻辑单元333将控制信号12与由倒数单元334生成的状态信号进行比较。例如，当延迟还没有消逝时，状态信号为零；而当延迟已经消逝时，该状态信号切换为非零值。如果两个信号都具有非零值，则所得到的触发信号331为非零。然后，它将控制信号中继到(右侧的)延迟单元330，以便在(右侧的)延迟单元330那里触发相应的延迟。倒数单元334包括例如倒数电路，该倒数电路被配置为从集成电路的存储元件或寄存器336读取要被倒数的延迟的值。当倒数结束时，延迟单元330控制所述装置332以向与其相关联的光源310供电。使用存储元件336来记录每个初级光源的各自的延迟，允许增加灵活性。对于各个初级光源可以记录不同的延迟，并且可以随着时间通过对各个存储元件336写入指令来修改所记录的值。每个光源的有效延迟显然也取决于时钟信号14的频率。不言而喻地，集成电路可以包括其他的电子电路，所述其他的电子电路在图4中以阴影区域表示。特别地，这可以是对初级光源的操作执行诊断功能的电路。

图5示出了用于对图3中的延迟单元430计时的规则的二进制时钟信号随时间的演变。在时钟信号的下方，示出了使用从现有技术中已知的矩阵光源的像素n-1的启动时间：当接收到启动指令12时，被指示的像素被供电。下面，示出了使用根据图4的实施例的矩阵光源的两个像素的启动时间。像素n和像素n+1中的每一个像素的延迟单元在功能上彼此连接，使得仅当像素n的延迟已经消逝时，像素n+1的延迟立即开始消逝。在这种情况下，像素n的延迟单元实施了四个时钟周期的延迟，而像素n+1的延迟单元实施了两个时钟周期的延迟，仅当像素n的延迟已经消逝时，像素n+1的延迟立即开始消逝。在该图的底部，可以看到有效延迟也可以通过修改时钟信号的频率来被修改。在所示的示例中，与该图中间所示的示例相比，所述信号频率增加了一倍。

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