用于机动车辆的包括矩阵光源的照明装置

技术领域

本发明涉及用于机动车辆的照明装置，所述照明装置包括基于电致发光半导体元件的矩阵阵列光源。特别地，本发明涉及这样的照明装置：所述照明装置的构成所述矩阵阵列光源的基元光源具有受限的发射面积。

背景技术

发光二极管(LED)是在电流流过其时能够发光的半导体电子部件。在汽车领域，LED技术越来越多得被用于许多光信号解决方案。LED被用于提供照明功能，诸如日行光、信号光等。由LED发射的光强度通常依赖于流过其的电流的强度。在存在其他表征的同时，LED由其电流强度阈值表征。这个最大正向电流通常随着温度的增加而降低。同样，当LED发光时，横跨其端子观察到等于其正向电压或名义电压的压降。通过驱动到发光二极管的电力供给以使流过其的电流的平均强度变化，可能将所述LED的光强度调暗。已知实现这种功能的做法是通过使用二进制脉宽调制(PWM)控制信号来控制LED。所述LED的操作在光发射状态和断开状态之间周期性地交替。LED的温度在发射阶段期间增加。对于具有1平方毫米或更大的发射面积的LED，所述LED的热学时间常数具有20毫秒或更大的量级。也就是说，在200、100或50Hz的PWM周期的“发射”阶段期间，所述LED的温度增加小于20℃，随后在“断开”阶段期间降温。这个量级的温度变化通常不导致其半导体结的损坏。

在许多应用领域中，特别是还在用于机动车辆的照明和发信号的领域中，使用包括高像素数或，即，每个都具有亚毫米大小的受限的发射面积的基元电致发光光源的LED的矩阵阵列是有益的。LED的矩阵阵列可以被用于例如产生有益于照明功能(诸如前灯或日行光)的光束形式。另外，多个不同的照明功能可以使用单个矩阵阵列来产生，由此在机动车辆前灯的受限空间中减少物理体积。

所述基元光源的发射面积比通常已知的LED的发射面积小多达一百倍或更多倍。所述基元光源的热学时间常数因此也更小，并且依赖于所使用的像素制造过程，这个常数可能具有毫秒量级。使用现有技术中已知的用于LED的控制单元(其能够产生200Hz量级的PWM信号)对这样的像素的矩阵阵列来说是不合适的，因为在所述PWM信号的“发射”周期期间，所述矩阵阵列的每个基元光源的结温可以增加明显大于20℃，其随后在“断开”周期期间降温。这个量级的温度变化有持续损坏所述基元光源的半导体结(这最终会导致失效)的风险。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术带来的至少一个问题。更确切地，本发明旨在提供包括矩阵阵列光源的照明装置，所述矩阵阵列光源允许将由构成其矩阵阵列的每个基元光源发射的光强度调暗而不导致由于其半导体结的过热而引发的失效。

根据本发明的第一方面，提出用于机动车辆的照明装置。所述照明装置包括矩阵阵列光源，所述矩阵阵列光源具有基于电致发光半导体元件的基元光源的矩阵阵列，和管理到至少一组基元光源的电力供给的电路，管理所述电力供给的所述电路包括控制单元和针对所述组中的每个基元光源的用于将所述基元光源选择性地连接至电源的开关元件，所述控制单元还旨在借助于脉宽调制二进制控制信号来控制所述开关元件的打开状态。所述照明装置值得注意的方面在于，每个所述基元光源的发射面积小于或等于0.2mm

优选地，所述控制信号的频率可以高于或等于1kHz。

该组基元光源可以优选地包括所述基元光源的矩阵阵列中的所有基元光源。

管理所述电力供给的电路可以优选地被配置成对所述基元光源的矩阵阵列中的至少两组基元光源的所述开关元件的打开状态径向交替控制。

优选地，所述两组可以是分开的。优选地，在所述基元光源的矩阵阵列的一行上，第一组中的基元光源可以与第二组中的基元光源交替。优选地，在所述基元光源的矩阵阵列的一列上，所述第一组中的基元光源可以与所述第二组中的基元光源交替。

所述矩阵阵列光源可以优选地包括与所述光源的矩阵阵列接触的集成电路。所述集成电路可以优选地包括管理到所述基元光源的电力供给的电路的至少一部分。这些例如是所述开关元件。所述开关元件可以优选地是MOSFET(“金氧半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)”)类型的场效应晶体管。

所述集成电路旨在与处于所述矩阵阵列光源的基元光源的矩阵阵列的机械和电接触中。

优选地，所述照明装置可以包括用于衰减声频的装置。所述衰减装置可以例如包括其本身在现有技术中已知的隔音材料，以使衰减至所述照明装置外的声频的传送。

所述集成电路可以优选地包括针对所述基元光源的矩阵阵列中的每个所述基元光源的延迟单元，所述延迟单元被配置成在收到来自所述控制信号的指令之后使到所述基元光源的电力供给延迟预定持续时间。

优选地，每个基元光源的延迟单元可以在功能上被连接至另一基元光源的延迟单元，所述布置使得仅在已经经过了第一基元光源的延迟才开始经过第二基元光源的延迟。

针对每个基元光源的延迟可以优选地是相同的。

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。所述延迟单元可以优选地包括延迟线。

优选地，与所有所述基元光源相关联的延迟线们可以使用同一时钟信号来进行时钟控制。

所述基元光源的矩阵阵列可以优选地包括支撑所述基元光源的公共基板。所述矩阵阵列的所述公共基板可以优选地包括SiC。

每个光源可以优选地与其存储元件和其管理到所述电力供给的电路相关联，与不同的基元光源相关联的存储元件们和管理电路们是彼此独立的。

集成电路可以优选地包括Si基板。所述集成电路优选地被焊接或黏附地结合至所述基元光源的矩阵阵列，例如至支撑所述基元光源的公共基板。所述集成电路优选地被焊接或黏附地结合至所述公共基板的下表面(与包括所述基元光源的面相反)。所述集成电路优选地例如通过紧固装置与所述公共基板机械接触，并且与所述公共基板电接触，所述公共基板具有位于其下表面的电连接区域。

像素化光源或(等效地)所述矩阵阵列光源可以优选地包括至少一个电致发光元件(所述基元光源)的矩阵阵列，也称为整体式阵列，所述元件被布置成至少两列乘以两行。所述电致发光源优选地包括至少一个电致发光元件的整体式矩阵阵列，也称为整体式矩阵阵列。

在整体式矩阵阵列中，电致发光元件从公共基板生长并被电连接以便能够单独地或以电致发光元件的子集被选择性地启动。每个电致发光元件或每组电致发光元件因而可以形成所述像素化光源的基元发射器中的一个基元发射器，所述基元发射器可以在其或其材料被供电时发光。

电致发光元件的各种布置都可以满足整体式矩阵阵列的这种定义，只要所述电致发光元件的主要伸长尺寸之一大致垂直于公共基板，并且基元发射器(其由一个电致发光元件或更多个被电气地分组在一起的电致发光元件形成)之间的空间小于在已知的焊接至印刷电路板的扁平方形芯片们的布置中所见到的空间。

所述基板可以主要由半导体材料制成。所述基板可以包括一个或更多个其它材料，例如非半导体材料。这些电致发光元件(其具有亚毫米尺寸)例如被布置成从所述基板伸出以形成六边形截面的棒。电致发光棒们在基板的第一面上源起。每个电致发光棒(这里使用氮化镓(GaN)来形成)垂直于或基本垂直于所述基板(这里由硅制成，但是可以由其它材料制成，诸如碳化硅，而不脱离本发明的语境)地延伸并且由此从所述基板伸出。举例来说，所述电致发光棒可以由氮化铝和氮化镓的合金(AlGaN)、或由铝、铟和镓磷体的合金(AlInGaP)来产生。每个电致发光棒沿限定其高度的伸长轴线延伸，每个电致发光棒的基部被布置在所述基板的上表面的平面中。

给定的整体式矩阵阵列的所述电致发光棒有利地具有相同形状和相同尺寸。它们每个都由端面和沿所述电致发光棒的伸长轴线延伸的周向壁划界。当所述电致发光棒被掺杂并经受偏压时，从半导体源得到的光输出主要从所述周向壁发射，但是将理解光射线还可以从所述端面离开。结果，每个电致发光棒都作为单个的发光二极管起作用并且这个源的亮度被改善，一方面是因为所存在的所述电致发光棒的密度，另一方面是因为由所述周向壁限定并由此在所述电致发光棒的整个周界和整个高度上延伸的发光区域的大小。电致发光棒的高度可以介于2μm与10μm之间，优选地为8μm。电致发光棒的所述端面的最大尺寸小于2μm，优选地小于或等于1μm。

将理解，当形成所述电致发光棒时，所述高度可以从所述像素化光源的一个区到下一个区地被修改，以便当相应的区中的所述电致发光棒的平均高度增加时所述相应的区的亮度增加。因而，一组电致发光棒可以具有不同于另一组电致发光棒的一个或更多个高度，这两组电致发光棒由包括亚毫米尺寸的电致发光棒的相同的半导体光源组成。所述电致发光棒的形状，并且尤其是所述电致发光棒的截面的形状和所述端面的形状还可以从一个整体式矩阵阵列到另一整体式矩阵阵列地变化。所述棒具有大致柱形形状，并且所述电致发光棒可以尤其具有多边形截面并且更特别地六边形截面。将理解，如果光要能够被通过所述周向壁发射，则对后者来说重要的是具有多边形形状或圆形形状。

此外，所述端面可以具有大致平面的且垂直于所述周向壁的形状，使得所述端面大致平行于所述基板的上表面延伸，或者所述端面可以具有弯曲的或指向其中心的形状，以便增加从这个端面出射的光的发射方向。

所述电致发光棒可以优选地被布置成二维矩阵阵列。这个布置可以使得所述电致发光棒被交错。一般而言，所述电致发光棒以规则的间隔被布置在所述基板上，并且在所述矩阵阵列的每个维度上两个紧邻的电致发光棒所隔开的距离应至少等于2μm，优选地介于3μm与10μm之间，使得被发射穿过每个电致发光棒的周向壁的光能够从电致发光棒的矩阵阵列出射。此外，在相邻电致发光棒的两个伸长轴线之间测量的这些隔开的距离被设定为不大于100μm。

作为替代，所述整体式矩阵阵列可以包括由位于单个基板上的外延(epitaxial)电致发光元件层(所述层特别地是具有n型掺杂GaN的第一层和p型掺杂GaN的第二层)形成的电致发光元件，所述基板例如由碳化硅制成并且(通过研磨和/或烧蚀)被锯切以形成分别源自同一基板的多个基元发射器。这种设计的结果是多个电致发光块都源自同一基板并且被电连接以便能够彼此选择性地被启动。

在根据这个另一其它实施例的一个示例性实施例中，所述整体式矩阵阵列的基板可以具有介于5μm与800μm之间、特别是等于200μm的厚度；每个块可以具有长度和宽度，长度和宽度中的每个都介于50μm与500μm之间，优选地介于100μm与200μm之间。在一种变型中，所述长度和所述宽度是相等的。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经由所述基板在与所述外延相反的侧上形成。两个基元发射器之间的隔开的距离。每个连续的基元发射器之间的距离可以小于1mm，特别是小于500μm，并且优选地小于200μm。

作为替代，对于从同一个基板分别地伸出的电致发光棒(如上文所描述的)，以及通过将叠加在同一个基板上的电致发光层锯切而获得电致发光块这两种情况，所述整体式矩阵阵列还可以包括所述电致发光元件被至少部分地嵌入其中的聚合材料层。所述层因而可以在所述基板的整个范围上延伸，或仅围绕给定的电致发光元件组延伸。所述聚合物材料(其可以特别是基于硅树脂的)产生允许所述电致发光元件被保护而不妨碍所述光射线的扩散的保护层。此外，还可以将波长转换装置(例如发光体(1uminophores))集成到这种聚合材料层中，所述波长转换装置能够吸收由所述元件之一发射的射线中的至少一些并将所吸收的激发光中的至少一些转换成波长不同于所述激发光的波长的发射光。发光体可以被统一设定为被嵌入到所述聚合物材料体中，或者被设定为布置在这种聚合材料层的表面上。

所述像素化光源还可以包括反射材料覆层，用于将所述光射线偏转至所述光源的出射表面。

亚毫米尺寸的电致发光元件在大致平行于所述基板的平面中限定给定的出射表面。将理解，这个出射表面的形状依赖于形成所述出射表面的电致发光元件的数目和布置而被限定。因而，可以限定具有大致矩形形状的出射表面，应理解，后者可以变化并且采用任何形状，而不脱离本发明的语境。

通过使用由本发明提出的措施，可以提供用于机动车辆的照明装置，其中矩阵阵列或像素化光源的基元半导体光源可以通过脉宽调制(PWM)类型的信号来控制，而没有损坏所述基元光源的半导体结的风险。通过采用高PWM频率，特别是300Hz或更大的，并且优选地至少1kHz的PWM频率，具有小于2mm

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它特征和优点，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照明装置；

-图2示意性地示出了穿过根据本发明的一个优选实施例的照明装置的截面；

除非另有指定，否则针对一个给定实施例详细描述的技术特征可以与通过举例的方式而非限制的方式描述的其它实施例的语境中描述的技术特征相组合。类似的附图标记将被用于描述贯穿本发明的各个实施例中的类似的概念。例如，附图标记100和200表示根据本发明的照明装置的两个实施例。

具体实施方式

描述被聚焦于用于机动车辆的照明装置的对于理解本发明来说所必需的元件。其它的以已知方式形成这种装置的一部分的元件将不会被提到或被详细描述。不言自明的是，例如，照明装置包括用于安装所描述的部件的结构元件，或例如包括热耗散元件(诸如辐射器)。

在图1的示图中示出了根据本发明的一个优选实施例的包括像素化或矩阵阵列光源105的照明装置100。所述矩阵阵列光源105包括多个基于电致发光半导体元件的基元光源110和公共基板(未图示)。每个基元光源包括在0.14×0.14mm大小或更少的大小上延伸的发射面积。当这种大小的基元光源被强度高于或等于正向电流的强度的电流穿过时，它在几毫秒甚至一毫秒之后经历20℃量级的温度梯度。

所述矩阵阵列光源105优选地包括整体式(monolithic)矩阵阵列部件，在所述整体式矩阵阵列部件中所述基元光源110的半导体层例如被布置在所述公共基板上。基元光源110的矩阵阵列优选地包括具有多个支路的并行组件，每个支路都包括电致发光半导体光源110。

所述装置100包括用于管理到基元光源组的电力供给的电路130。在图1的示例中，这组基元光源包括所述矩阵阵列105的所有光源，但是本发明不限于这种实施例。所述管理电路包括针对每个基元光源的开关装置，所述开关装置被控制信号136控制以采取打开状态或闭合状态。所述布置使得，当所述开关处于闭合状态时相应的基元光源被连接至电源，而当处于打开状态时所述基元光源不被连接至所述电源。可以想到用于控制基元光源的光发射/断开状态的其它布置，而不脱离本发明的范围。

所述电源可以例如包括变换器电路，所述变换器电路被配置成将输入电流/电压(例如由所述机动车辆内的源(诸如电池)提供)转变成负载电流/电压，所述负载电流/电压具有适于向所述矩阵阵列105供应电力的强度/值。

控制单元132产生所述控制信号136。所述信号具有与所述开关元件134可以采取的两种不同状态相对应的二进制外观。所述信号是脉宽调制(PWM)信号，所述脉宽调制(PWM)信号的频率高于或等于300Hz并且优选地高于或等于1kHz。在这个频率下，开关134闭合且相应的基元光源110发射光并升温的阶段足够短以至于其半导体结不会升温超过20℃。这防止损坏所述半导体结。加热阶段(其等于基元光源被连续地供电的持续时间)不超过所述基元光源的热学时间常数。如刚刚描述的、能够产生PWM信号的电子电路本身是已知的，并且其布置和操作将不在本发明的上下文中进行较详细地描述。

当所述矩阵阵列光源被电压驱动时，每个基元光源或，等效地，每个像素的驱动仅牵涉对开关装置134进行控制，如图1中示意性地示出的。通过控制所述装置134的状态，所述基元光源110可以被选择性地连接至所述电压源Vin。所述开关装置例如由MOSFET类型的场效应晶体管形成，优选地以漏极端子与源极端子之间的低压降为特征，并且由控制信号136来控制，所述控制信号136来自用于管理所述电力供给的电路132。所述控制信号136是脉宽调制(PWM)信号。这是周期性二进制信号。占空比(即所述周期的非零阶段与零阶段的各自的持续时间)的选择直接地影响所述信号的平均值，所述平均值介于所述信号的极值之间。所述周期信号136形成用于打开/闭合所述开关装置134的二进制指令序列。流过所述基元光源110的电流的平均强度且因此由这个基元光源发射的平均光强度反映所述PWM控制信号136的平均值。

通过举例的方式且非限制的方式，基元光源的矩阵阵列105，沿所述基板的厚度且从与基元光源110的位置相反的端部开始，包括沉积在电绝缘基板上的第一导电层。随后是n型掺杂半导体层，所述n型掺杂半导体层的厚度介于0.1μm和2μm之间。这个厚度远小于已知的发光二极管的厚度，对于已知的发光二极管，相应的层具有1μm至2μm量级的厚度。后一层是具有大约30nm厚度的有源量子阱层(active quantum well layer)，随后是电子阻挡层(electron-blocking layer)，并且最后是p型掺杂半导体层，所述p型掺杂半导体层具有大约300nm的厚度。优选地，所述第一层是(Al)GaN:Si层，所述第二层是n-GaN:Si层，并且所述有源层包括量子阱，所述量子阱由与GaN制成的阻挡或势垒(barriers)相交替的InGaN制成。所述阻挡层优选地由AlGaN:Mg制成并且所述p型掺杂层优选地由p-GaN:Mg制成。n型掺杂氮化镓具有0.0005欧姆/cm的电阻，而p型掺杂氮化镓具有1欧姆/cm的电阻。所提出的层的厚度使得特别是可能增加所述基元光源的内部串联电阻，同时显著地降低其制造时间，因为n型掺杂层与已知的LED相比不那么厚并且需要较短的沉积时间。举例来说，对于具有2μ的n层的标准配置LED来说MOCVD沉积典型地需要5小时的时间，而如果所述n层的厚度被减小至0.2μ则这个时间可以被减少50％。

为了实现使基元光源110包括具有均匀厚度的半导体层，所述整体式部件105优选地通过将所述层均匀地且均一地沉积在所述基板的表面的至少一部分上以将其覆盖来制造。例如使用金属氧化物化学气相淀积(MOCVD)方法来沉积所述层。用于在基板上沉积半导体层的这种方法和实现它们的反应器是已知的，例如从专利文献WO 2010/072380 A1或WO01/46498 A1已知。它们的实现方式的细节因此将不在本发明的上下文中描述。如此形成的所述层随后被像素化。举例来说且不是限制性的，在对应与所述基板上的所述基元光源110之间的空间的部位处，所述层通过使用已知的光刻方法并通过蚀刻而被去除。具有均匀厚度的半导体层并且因此具有均匀的且高的内部串联电阻的、每个单独的像素都具有小于一平方毫米的面积且具有大于2平方毫米的总面积的数十或数百或数千个像素110因而能够被产生在矩阵阵列光源105的所述基板上。一般而言，每个LED像素的大小减小得越多，所述每个LED像素的串联电阻就增加得越多，并且这个像素就更能够由电压源驱动。作为替代，包括覆盖所述基板的表面的至少一部分的外延层(epitaxial layers)的所述基板被锯切或被分成多个基元光源，每个所述基元光源在其内部串联电阻方面具有类似的特性。

本发明还涉及具有其它配置的半导体层的基于半导体元件的基元光源类型。特别地，所述基板、所述层的半导体材料、所述层的布置、它们的厚度、以及所述层之间的通孔可以不同于刚刚已经描述的示例。

在图2的示图中示出了根据本发明的另一优选实施例的包括像素化光源或矩阵阵列光源205的照明装置200。所述矩阵阵列光源205包括LED类型的多个基于电致发光半导体元件的基元光源210、以及公共基板(未图示)。每个基元光源包括在0.14x0.14mm的大小上或更小的大小上延伸的发射面积。当这种大小的基元光源被强度大于或等于正向电流的强度的电流穿过时，在几毫秒甚至一毫秒或小于一毫秒之后所述基元光源经历20℃量级的温度梯度。

所述装置200包括用于管理到两组基元光源的电力供给的电路230。在图2的示例中，第一组的基元光源中的第一个210与第二组的基元光源210’交替。对于每个基元光源，管理电路包括开关装置234、234’，所述开关装置分别借助于控制信号236、236’被控制以采取打开状态或闭合状态。所述布置使得，当所述开关处于闭合状态时相应的基元光源被连接至电源，而当处于打开状态时所述基元光源不被连接至所述电源。

控制单元232产生所述控制信号236。所述信号具有与所述开关元件234可以采取的两种不同状态相对应的二进制外观。所述信号是脉宽调制(PWM)信号，所述脉宽调制(PWM)信号的频率高于或等于300Hz并且优选地高于或等于1kHz。在这个频率下，开关234闭合且相应的基元光源210发光并升温的阶段足够短以至于其半导体结不会升温超过20℃。这防止损坏所述半导体结。

所述控制单元232还产生旨在用于第二组光源210’的所述PWM类型的控制信号236’。所述信号236和236’使得所述两组基元光源210、210’并不总是一起连接到所述电源。例如，所述信号236可以具有50％的占空比并且形成为由一个旨在控制所述开关装置占据其闭合状态的半周期和随后的第二个旨在控制所述开关装置占据其打开状态的半周期构成。所述信号236’则可以是所述信号236的被偏移半个周期的副本，从而使得所述基元光源组210、210’被交替地供电。在这种情况下，所述信号236’可以借助于现有技术中已知的延迟电路基于所述信号236来产生。可以想到其它的实施方式而不脱离本发明的范围。这个布置的优点是：一组基元光源中的基元光源210不总是对另一组基元光源中的基元光源210’的加热有所贡献，所述另一组中的基元光源210’在空间上非常靠近第一组中的基元光源。这个布置还适用于矩阵阵列205内的更多组基元光源。

在图2的实施例中，用于管理所述电力供给的电路230由集成电路220容置，所述集成电路220被焊接至所述公共基板的下表面以建立与所述基板和所述基元光源的机械和电接触，所述公共基板将所述基元光源210、210容置于其上表面。

使用与所述基板(所述基元光源存在于所述基板上)机械和电接触的集成电路120使得可以无需接线连接，所述接线连接的数目将至少等于所述矩阵阵列光源的像素的数目。由于所述管理电路230在空间上靠近基元光源210、210’的所述矩阵阵列205，因此控制时间可以忽略。具体地，所述电路230的部件位于所述基元光源下方几微米处。

优选地，当整体式部件205被制造时电力供给电路可以被集成到所述基板中。

根据未图示的另一实施例，所述基元光源组(在图2的情况下为210、210’)的相应的开启时间之间的偏移由集成在每个光源下方的延迟单元来产生。PWM类型的控制信号(诸如刚刚针对其它实施例而描述的)被用于控制所述基元光源。然而，每个基元光源的延迟单元仅在已经经过其相应的延迟之后才施加控制。所述布置可以优选地使得所述延迟单元在功能上被连接成链，并且使得一个基元光源的延迟仅在已经经过了所述链中的前一个基元光源的延迟才开始经过。以这种方式，也减少了所有所述基元光源的同时加热。

不言自明的是，所述集成电路可以包括其它电子电路和/或存储元件，所述其它电子电路和/或存储元件被用于与所述矩阵阵列光源和/或与所述基元光源有关的其它功能。这包括但不限于用于检测基元光源的短路或开路故障的电路。

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