(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光装置であって、
細長い中空の波長変換チューブであって、そのなかに分散された波長変換材料を有する細長い波長変換チューブ壁を含む細長い中空の波長変換チューブと、
第１のパッケージ化された半導体発光デバイスであって、
第１の搭載基板と、
前記第１の搭載基板上の第１のドームと
前記第１の搭載基板と前記第１のドームとの間に位置する第１の半導体発光ダイと
を含み、
前記第１のドームが前記細長い中空の波長変換チューブの第１の端部の内部に入り込み、
前記第１のドームの基部が前記細長い中空の波長変換チューブの前記第１の端部に隣接して広がり、
前記第１の搭載基板が前記細長い中空の波長変換チューブの前記第１の端部のためのキャップを提供し、
前記第１の半導体発光ダイが、前記細長い波長変換チューブ壁およびそのなかに分散された前記波長変換材料に当たるように、前記細長い中空の波長変換チューブ内部に、前記第１のドームを通して光を放射するような向きに配置されている
ような向きに配置された第１のパッケージ化された半導体発光デバイスと、
第２のパッケージ化された半導体発光デバイスであって、
第２の搭載基板と、
前記第２の搭載基板上の第２のドームと
前記第２の搭載基板と前記第２のドームとの間に位置する第２の半導体発光ダイと
を含み、
前記第２のドームが前記第１の端部に対向する、前記細長い中空の波長変換チューブの第２の端部の内部に入り込み、
前記第２のドームの基部が前記細長い中空の波長変換チューブの前記第２の端部に隣接して広がり、
前記第２の搭載基板が前記細長い中空の波長変換チューブの前記第２の端部のためのキャップを提供し、
前記第２の半導体発光ダイが、前記細長い波長変換チューブ壁およびそのなかに分散された前記波長変換材料に当たるように、前記細長い中空の波長変換チューブ内部に、前記第２のドームを通して光を放射するような向きに配置されている
ような向きに配置されている第２のパッケージ化された半導体発光デバイスと、
基部と、
一対のスタンドオフであって、前記細長い中空の波長変換チューブと前記第１および第２のパッケージ化された半導体発光デバイスとを前記基部から離して保持する一対のスタンドオフと、
前記基部に接続されて、前記中空の波長変換チューブと前記第１および第２のパッケージ化された半導体発光デバイスとを囲む球状部分と、
を含む半導体発光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、さらに前記細長い中空の波長変換チューブ内部の、前記第１と第２のパッケージ化された半導体発光デバイスとの間に両面反射体を含む前記装置。
【請求項３】
半導体発光装置であって、
複数の発光フィラメントであって、
それぞれの発光フィラメントが、
細長い中空の波長変換チューブと、
請求項１に記載のパッケージ化された半導体発光デバイスとを含んでいる
複数の発光フィラメント、
を含む装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、前記複数の発光フィラメントが、直線配列状に端から端までの向きに配置されている前記装置。
【請求項５】
請求項３に記載の装置であって、前記複数の発光フィラメントが、共通の原点のまわりに三次元配列状に広がっている前記装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、前記第２の端部が閉じた第２の端部である前記装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって、さらに前記第２の端部に波長変換材料または反射材料を含むキャップを含む前記装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、前記細長い中空の波長変換チューブ壁が内側および外側表面を含んでおり、前記内側および／または外側表面が表面模様を施されている前記装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であって、前記内側および／または外側表面が不均一に表面模様を施されている前記装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置であって、前記細長い中空の波長変換チューブ壁が、そのなかに不均一に分散された波長変換材料を有している前記装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置であって、前記細長い中空の波長変換チューブが第１の細長い中空の波長変換チューブであって、前記装置は、さらに
第２の細長い中空の波長変換チューブであって、細長い中空の波長変換チューブの端部が前記第１および第２の細長い中空の波長変換チューブによって共有された共通の端部であり、前記半導体発光ダイが前記第１および第２の細長い中空の波長変換チューブの内部に光を放射するような向きに配置されている第２の細長い中空の波長変換チューブ、
を含む前記装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置であって、前記半導体発光ダイが、放射された前記光の少なくとも約２０％が傾いた角度で前記細長い波長変換チューブ壁に当たるような向きに配置されている前記装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置であって、前記半導体発光ダイが、放射された前記光の少なくとも約９０％が傾いた角度で前記細長い波長変換チューブ壁に当たるような向きに配置されている前記装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の装置であって、前記細長い中空の波長変換チューブが、そのなかに埋め込まれた前記波長変換材料に当たって変換された光に対する経路長を増やすことなしに、前記半導体発光ダイが放射した光で、そのなかに埋め込まれた前記波長変換材料に当たらない光に対して、前記細長い波長変換チューブ壁を通過する、より長い経路長を提供するように、前記半導体発光ダイに相対的な向きに配置されている前記装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の装置であって、前記細長い波長変換チューブ壁が細長い中空の波長変換チューブ軸を定義しており、前記半導体発光ダイが、放射軸のまわりに対称的に光を放射するよう構成されており、前記半導体発光ダイが、前記放射軸が前記細長い中空の波長変換チューブ軸と一致するような向きに配置されている前記装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置およびその組立および動作方法に関するものであって、さらに詳細には、半導体発光装置およびその組立および動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードおよびレーザ・ダイオードなどの半導体発光デバイス（”ＬＥＤ”）は、広く知られた固体発光素子であり、それに電圧を印加することで光を発することができる。発光デバイスは、一般にｐ−ｎ接合、デバイスのｐ型領域に対するアノード・オーミック・コンタクト、およびデバイスのｎ型領域に対するカソード・オーミック・コンタクトを含む。デバイスは、サファイヤ、シリコン、シリコン・カーバイド、ガリウム砒素、ガリウム・ナイトライド等の基板上に形成できるが、基板を含まない場合もある。半導体ｐ−ｎ接合は、例えば、シリコン・カーバイド、ガリウム・ナイトライド、ガリウム・リン、アルミニウム・ナイトライド、および／またはガリウム砒素をベースとする材料、および／または有機半導体をベースとする材料から作製されうる。
【０００３】
半導体ＬＥＤは、例えば従来の白熱および／または蛍光照明の代わりとして、照明／電飾の用途に使用されうる。したがって、比較的高い演色評価数（ＣＲＩ）を有し、照明を当てられる対象物がより自然に見えうるような白色光を発生する光源を提供することが望まれる。光源の演色評価数は、光源から発せられる光が広範囲の色を正確に照明する能力の客観的尺度である。演色評価数は、単色光に対する本質的ゼロから白熱光に対する１００近くまでの範囲をとる。
【０００４】
さらに、特定の光源の色度は、光源の「色度点」で参照することができる。白色光源については、色度は「白色点」で参照することができる。白色光源の白色点は、ある温度に加熱された黒体放射体から発せられる光の色に対応する色度点の軌跡に沿って位置しうる。したがって白色点は、加熱された黒体放射体が白色光源の色または色相と一致する温度である光源の相関色温度（ＣＣＴ）によって特定されうる。白色光は、一般に４０００から８０００Ｋの範囲のＣＣＴを有する。４０００というＣＣＴを有する白色光は、黄色っぽい色である。ＣＣＴが８０００Ｋである白色光は、より青っぽい色で、「ｃｏｏｌ  ｗｈｉｔｅ（冷たい白）」と呼ばれうる。「ｗａｒｍ  ｗｈｉｔｅ（暖かい白）」とは、２６００Ｋから３５００Ｋの間のＣＣＴの白色光をいい、より赤っぽい色を指すことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第Ｄ５６６，０５７号
【特許文献２】米国特許公開第２００８／０１７３８８４号
【特許文献３】米国特許公開第２００８／０１７９６１１号
【特許文献４】米国特許出願第２９／２８４，４３１号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「Ｃｒｅｅ  ＥＺ１０００  ＬＥＤｓ  Ｄａｔａ  Ｓｈｅｅｔ  ＣｘｘｘＥＺ１０００−Ｓｘｘ０００」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
白色光を得るために、異なる色の光を発する複数個のＬＥＤが使用されることがある。ＬＥＤから発せられた光を組み合わせて、望ましい強度および／または色の白色光を作り出すことができる。例えば、赤、緑、および青を発するＬＥＤを同時に駆動すると、結果の組み合わされた光は、赤、緑、および青の成分の光源の相対的強度によって、白あるいは白に近い色に見えうる。しかし、赤、緑、および青のＬＥＤを含むＬＥＤランプでは、構成するＬＥＤのスペクトル・パワー分布は、比較的狭い（例えば、１０−３０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ））ことがある。そのようなランプでかなり高い発光効率および／または演色を実現することが可能であるが、波長領域が、高効率（例えば、およそ５５０ｎｍ）を得ることが困難な波長領域となることがある。
【０００８】
あるいは、単色ＬＥＤからの光を、そのＬＥＤを蛍燐光体の粒子のような、波長変換材料で取り囲むことによって白色光に変換することができる。ここで「波長変換材料」というのは、ある波長の光を吸収して、吸収と再放射との間の遅延の大小に関わらず、また関連する波長の如何に関わらず、異なる波長で光を再放射する任意の材料を指す。したがって、ここで「波長変換材料」という用語を用いて、あるときは蛍光性および／または燐光性と呼ばれ、またしばしば「蛍燐光体」と呼ばれる材料を指すことができる。一般に蛍燐光体は、短い波長を持つ光を吸収して、より長い波長を有する光を再放射する。すなわち、第１の波長でＬＥＤから放射された光の一部またはすべてが蛍燐光体粒子によって吸収され、蛍燐光体粒子は、応答的に第２の波長で光が放射されうる。例えば、青色発光ＬＥＤを、セリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）のような黄色蛍燐光体によって取り囲むことができる。結果の、青色の光と黄色の光を組み合わせた光は、観察者に白く見えうる。
【０００９】
したがって半導体発光デバイスを波長変換材料と統合することによって半導体発光装置を提供しようとする努力がおこなわれてきた。波長変換材料は、LED自身に被覆されたり、半導体ＬＥＤとＬＥＤドーム（シェルまたはレンズとも呼ばれる）との間に少量の材料として供給されたり、および／または波長変換材料をＬＥＤドームの内側、外側、および／または内部に、および／またはＬＥＤから離れた別の表面上および／または内部に供給することによって半導体ＬＥＤから離して供給されることもある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の各種の実施形態による半導体発光装置は、そのなかに均一または不均一に分散させた蛍燐光体のような波長変換材料を有する細長い波長変換チューブ壁を含む、細長い中空の波長変換チューブを含んでいる。チューブは、円筒形でなくてもよい。半導体発光デバイスは、細長い波長変換チューブ壁とそのなかに分散された波長変換材料に当たるように、細長い中空の波長変換チューブ内部に光を放射するような向きに置かれる。
【００１１】
いくつかの実施形態においては、半導体発光デバイスは、放射された光の少なくとも２０％が、細長い中空の波長変換チューブ壁に傾いた角度で当たるような向きに置かれる。別の実施形態では、半導体発光デバイスは、放射された光の少なくとも約９０％が、細長い中空の波長変換チューブに傾いた角度で当たるような向きに置かれる。いくつかの実施形態では、半導体発光デバイスは、放射軸のまわりにランバート形状に光を放射するように閉じ込められる。他の実施形態では、半導体発光デバイスは、非ランベルト形状に、例えば集中的な形状に光を放射するように構成される。
【００１２】
本発明のさまざまなその他の実施形態では、そのなかに埋め込まれた波長変換材料に当たって変換された光に対しては経路長を増やさずに、半導体発光デバイスによって放射された光でそのなかに埋め込まれた波長変換材料に当たらない光に対しては、細長い波長変換チューブ壁を通る、より長い経路長を提供するように、半導体発光デバイスに相対的な向きに配置される細長い中空の波長変換チューブを提供することができる。いくつかの実施形態では、半導体発光デバイスは、約１ｍｍ２の面積を有する青色発光ダイオードであり、装置は、約４７００Kの色温度でワット当たり約１６０ルーメンを発生する。他の実施形態では、装置は、約５５００Kの色温度でワット当たり約１５０ルーメンを発生する。
【００１３】
細長い中空の波長変換チューブは、さまざまな実施形態によって、それ自身多様な構成をとりうる。いくつかの実施形態では、細長い中空の波長変換チューブは、内側および外側表面を有し、内側表面および／または外側表面に支持層が設けられる。他の実施形態では、内側および／または外側表面は、均一にまたは不均一に表面模様を施される。いくつかの実施形態では、チューブ壁がチューブ軸を定義し、半導体発光デバイスは、放射軸のまわりに対称的に光を放射するように構成される。半導体発光デバイスは、放射軸がチューブ軸と一致するような向きに配置される。
【００１４】
細長い中空の波長変換チューブには、さまざまなその他の構成が可能である。例えば、いくつかの実施形態では、細長い中空の波長変換チューブは、第１と第２の対向する端部を有し、半導体発光デバイスが第１の端部に隣接して位置している。いくつかの実施形態では、第２の端部が閉じた端部になっていて、他の実施形態では、第２の端部は、クリンプされた第２の端部になっている。さらに別の実施形態では、第２の端部にキャップが設けられ、さらに別の実施形態では、キャップが波長変換材料および／または反射材料を含むようにすることができる。
【００１５】
さらに別の実施形態では、複数の半導体発光デバイスを設けることができる。例えば、いくつかの実施形態では、第２の半導体発光デバイスが第２の端部に隣接して設けられ、細長い中空の波長変換チューブ内部に光を放射するような向きに配置される。これらの実施形態のうちのいくつかでは、細長い中空の波長変換チューブ内部の、第１と第２の半導体発光デバイスとの間に両面反射体を設けることができる。他の実施形態では、細長い中空の波長変換チューブは、第１と第２の半導体発光デバイスとの間でクリンプすることができる。
【００１６】
さらに他の実施形態では、半導体発光デバイスは、少なくとも部分的に細長い中空の波長変換チューブ内部に入り込んでいる。これらの実施形態のうちのいくつかでは、半導体発光デバイスは、部分的に波長変換チューブ内部に入り込んで、その第１の端部に向かって光を放射するようになっている。さらに別の実施形態では、第２の半導体発光デバイスが、少なくとも部分的に細長い中空の波長変換チューブ内部に入り込んで、その第２の端部に向かって光を放射するようにすることができる。さらに別の実施形態では、第１と第２の半導体発光デバイスを、細長い中空の波長変換チューブ内部で互いに背中合わせの向きに配置することができる。さらに別の実施形態では、ネジ式の基部と、細長い中空の波長変換チューブと第１および第２の半導体発光デバイスとをネジ式の基部から離して保持する一対のスタンドオフが設けることができる。さらにネジ式の基部に接続されて、中空の波長変換チューブと第１および第２の半導体発光デバイスとを取り囲む球状部分を設けることもできる。
【００１７】
本発明の各種の実施形態における装置は、さらに搭載基板と搭載基板上のドームとを含み、半導体発光デバイスが搭載基板とドームとの間に位置するようにすることができる。ドームは、少なくとも部分的に細長い中空の波長変換チューブの中に入り込み、また搭載基板が、少なくとも部分的に細長い中空の波長変換チューブの外に広がるようにすることができる。
【００１８】
複数のチューブの実施形態も可能である。例えば、いくつかの実施形態では、装置は、さらに第２の細長い中空の波長変換チューブを含み、第１と第２の細長い中空の波長変換チューブが共通の端部を共有している。半導体発光デバイスは、共通の端部に隣接して位置する。他の実施形態では、複数の細長い中空の波長変換チューブが共通の端部を共有し、中心軸のまわりに広がっているようにすることができる。さらに別の実施形態では、第２の細長い中空の波長変換チューブが第１の細長い中空の波長変換チューブと同軸に設けられる。
【００１９】
本発明のさらに別の実施形態による半導体発光装置は、複数の発光フィラメントを含むことができる。それぞれの発光フィラメントは、そのなかに分散された波長変換材料を有する細長い波長変換チューブ壁を含む細長い中空の波長変換チューブと、細長い中空の波長変換チューブの内部に光を放射するような向きに配置された半導体発光デバイスとを含む。いくつかの実施形態では、複数の発光フィラメントは、直線配列状に端から端までの向きに配置することができる。他の実施形態では、複数の発光フィラメントは、共通の原点のまわりに三次元配列状に広がるようにすることができる。ここに述べられる実施形態の任意のものにしたがって、細長い中空の波長変換チューブ（単数または複数）および半導体発光デバイス（単数または複数）が提供されうる。
【００２０】
半導体発光装置の組立方法も提供されうる。これらの方法で、基板上にある半導体発光デバイスを囲むドームが、そのなかに分散された波長変換材料を有する細長い中空の波長変換チューブの１つの端部の内部に少なくとも部分的に挿入される。細長い中空の波長変換チューブは、その端部から離れた場所でクリンプされうる。ここに述べられる実施形態の任意のものにしたがって、半導体発光デバイスおよび細長い中空の波長変換チューブが構成されうる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】各種実施形態による半導体発光装置の透視図。
【図１Ｂ】他の実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図２Ａ】パッケージ化された半導体発光デバイスの断面図。
【図２Ｂ】パッケージ化された半導体発光デバイスの断面図。
【図３】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図３Ａ】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図４】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図５】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図６】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図７】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図８】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図９Ａ】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図９Ｂ】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図１０】その他の各種実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図１１】各種実施形態による細長い中空の波長変換チューブの断面図。
【図１１Ｂ】各種実施形態による細長い中空の波長変換チューブの断面図。
【図１２】各種実施形態による細長い中空の波長変換チューブの断面図。
【図１３】各種実施形態による細長い中空の波長変換チューブの断面図。
【図１４】各種実施形態による細長い中空の波長変換チューブの断面図。
【図１５】さらに別の実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図１６】さらに別の実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図１７】さらに別の実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図１８】さらに別の実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図１９】各種の実施形態による半導体発光装置について、ＣＣＴの関数としてワット当たりのルーメン値での効率を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ここで各種の実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明についてより詳しく説明する。しかし本発明は、多くの異なる形態で具体化することが可能であり、ここに記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が徹底した完全なものとなり、当業者に対して本発明の範囲を十分に伝えるように提供されるものである。図面において、層および領域のサイズおよび相対的サイズは、分かりやすくするために誇張して示されることがある。全体を通して同様な要素には同様の参照符号が用いられている。
【００２３】
ここで用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のためのみのものであって、本発明を限定する意図はない。ここで用いられるように、「１つの」、「ある」、「その」、「この」、「本」など（原文の英語では単数形を表す「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」）の単数形は、文脈で明らかに単数形であることを示していないかぎり、複数形も含むよう意図される。「含む」、「含んでいる」、「有する」、およびこれらの変形の用語は、この明細書で使用される場合、言及される特徴、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を示しているが、１または複数のその他の特徴、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在もしくは追加を妨げないことが理解されるであろう。対照的に、この明細書で使用される「で構成される」という表現は、言及される特徴、ステップ、操作、要素、および／または構成要素を示し、追加的な特徴、ステップ、操作、要素、および／または構成要素を排除する。
【００２４】
層、領域、または基板などの要素が別の要素の「上に」あると表現される場合、それは、その他の要素の上に直接あるか、あるいは介在する要素が存在しうることは理解できよう。さらに、「下に」や「覆って」というような相対的な用語は、ここでは、図面に示されるように、１つの層または領域と別の層または領域との関係を、基板または基層に対して相対的に述べるために用いられうる。これらの用語は、図面に示された向きに加えて、デバイスの異なる向きを包含する意図で用いられていることが理解できよう。最後に、「直接に」という用語は、仲介する要素が存在しないことを意味する。ここで用いられる「および／または」という用語は、関連する列挙項目の１つまたは複数のものの任意およびすべての組合せを含み、「／」と略することもある。
【００２５】
ここで各種の要素、構成要素、領域、層、および／または区域を記述するために「第１」、「第２」等の用語が使用されることがあるが、それらの要素、構成要素、領域、層、および／または区域は、それらの用語に限定されるべきではないことが理解できよう。これらの用語は、単に１つの要素、構成要素、領域、層、および／または区域を、別の領域、層、または区域と区別するために使用されているだけである。したがって、以下で述べられる第１の要素、構成要素、領域、層、および／または区域を、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、および／または区域と表現することができる。
【００２６】
発明の理想化された実施形態を模式的に示す断面図および／またはその他の図を参照しながら、本発明の実施形態についてここで説明する。すなわち、例えば製造技術および／または許容誤差の結果として生ずる、図示された形状からの変形は想定されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、ここに図示された領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきでなく、例えば製造による結果としての形状のずれを含む。例えば、長方形として図示または説明される領域は、典型的には、通常の製造許容誤差により、角の丸い、あるいは曲線状の特徴を有する。このように、図に示された領域は、そうではないとここで定義されないかぎり、本質的に模式的なものであって、それらの形状は、デバイスの領域の正確な形状を示す意図のものではなく、発明の範囲を限定するよう意図されてはいない。
【００２７】
そうではないと定義しないかぎり、ここで用いられるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者に共通に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、通常使用される辞書に定義されるような用語は、関連する技術およびこの明細書の文脈でそれらの意味と矛盾しない意味を有するものと解釈されるべきであり、ここで明示的に定義されないかぎり、理想化されたり過度に形式的な意味で解釈されたりするべきでないことは理解できよう。
【００２８】
図１Ａおよび１Ｂは、本発明の各種の実施形態による半導体発光装置の透視図および断面図である。図１Ａおよび１Ｂに示されるように、これらの半導体発光装置は、そのなかに均一にまたは不均一に分散された波長変換材料１１４を有する細長い波長変換チューブ壁１１２を含む細長い中空の波長変換チューブ１１０を含む。ここで使用されるように、チューブというのは、円筒形の、あるいは必ずしも円筒形でなくてもよいが、長い中空の物体を指す。すなわち、チューブは、円形でも、楕円形でも、楕円体形でも、および／または多角形でも構わない。半導体発光デバイス１２０は、細長い波長変換チューブ壁１１２とそのなかに分散された波長変換材料１１４に当たるよう、細長い中空の波長変換チューブ１１０内部に光１２２を放射するような向きに配置される。いくつかの実施形態では、半導体発光デバイス１２０は、搭載基板１２４と搭載基板１２４上のドーム１２６とを含むパッケージ化された発光ダイオード１３０でよく、ここで半導体発光デバイス１２０は、搭載基板１２４とドーム１２６との間に位置する。１または複数の電気配線１２８が搭載基板１２４から延びていることもある。さらに図１Ａおよび１Ｂに示されるように、チューブ壁１１２がチューブ軸１３２を定義しており、半導体発光デバイス１２０は、一般に放射軸まわりに対称に光１２２を放射するように構成されており、放射軸が一般にチューブ軸１３２と一致するような向きになっている。
【００２９】
本発明の各種の実施形態によれば、半導体発光デバイス１２０、搭載基板１２４およびドーム１２６のさまざまな構成が提供されうる。いくつかの実施形態においては、パッケージ化された半導体発光デバイス１３０は、本発明の譲渡人によって製造されたＣｒｅｅ（登録商標）ＥＺ１０００型ＬＥＤのような市販されているＬＥＤで代表されうる。このＬＥＤについては、ホームページcree.comで閲覧できる、Ｃｒｅｅ（登録商標）ＥＺ１０００ＬＥＤデータ・シートCxxxEZ1000-Sxx000（Ｃｒｅｅ社著作権保有、２００６年）と題するデータ・シートＣＰＲ３ＣＲ改定Ａ版に記載されている。このデータ・シートに示されているように、これらのＬＥＤは、９８０／９８０μｍ２または約１ｍｍ２の大きさの1個の半導体ダイを使用していることがある。これらのＬＥＤは、入力電力約１ワットにおいて、約３Ｖ（典型的には、約３．３Ｖ）の電圧および約３５０ｍＡの電流（約３５Ａ／ｃｍ２の電流密度）で動作しうる。Ｃｒｅｅ（登録商標）ＥＺ１０００型ＬＥＤは、その開示が参照によってここに記載されているかのようにその全体をここに取り込まれる、１つ以上の以下の米国特許／出願のもとで製造されうる：２００８年４月８日登録の「ＬＥＤチップ（LED Chip）」と題する米国特許第Ｄ５６６，０５７号、２００８年７月２４日発行の「ウエハ・レベルでの蛍燐光体被覆法およびそれを使用して作製された装置（Wafer Level Phosphor Coating Method and Devices Fabricated Utilizing Same）」と題する米国特許公開第２００８／０１７３８８４号、２００８年７月３１日発行の「ウエハ・レベルでの蛍燐光体被覆法およびそれを使用して作製された装置（Wafer Level Phosphor Coating Method and Devices Fabricated Utilizing Same）」と題する米国特許公開第２００８／０１７９６１１号、および２００７年９月７日出願の「ＬＥＤチップ（LED Chip）」と題する米国特許出願第２９／２８４，４３１号。しかしながら、他の市販されているパッケージ化されたＬＥＤやむき出しのＬＥＤダイを使用することも可能である。
【００３０】
ＥＺ１０００型ＬＥＤは、銀（Ａｇ）のヘッダ上に提供され、例えばロックタイト（Ｌｏｃｔｉｔｅ）社より市販されている速硬化性の無色透明のエポキシ・キャスティング・コンパウンドＨｙｓｏｌ（登録商標）ＯＳ４０００を含むドームで封止されていることがある。しかし、他の実施形態では、他の材料、例えばエポキシ、シリコーン、および／またはその他の透明な封入剤を使用することもできる。さらにＬＥＤは、ドームを持たなくても良い。すなわち、むき出しのダイやドームなしのＬＥＤを使用することもまた可能である。いくつかの実施形態では、図１Ａに示されたように、半導体発光デバイス１２０は、細長い中空の波長変換チューブ１１０に隣接するが、内部になくともよい。他の実施形態では、図１Ｂに示されたように半導体発光デバイス１２０は、少なくとも部分的に細長い中空の波長変換チューブ１１０の内部にあってもよい。さらに別の実施形態では、透明なドーム１２６が細長い中空の波長変換チューブ１１０の内部に完全に含まれていてもよく、他方搭載基板１２４は、細長い中空の波長変換チューブの完全に外にあって、端部に接触していてもよい。
【００３１】
実際、図１Ａおよび１Ｂは、いくつかの実施形態によって半導体発光装置を組立てる方法も示しており、ここで基板１２４上にある半導体発光デバイス１２０を囲むドーム１２６が、そのなかに分散された波長変換材料１１４を有する細長い中空の波長変換チューブ１１０の端部の中に少なくとも部分的に挿入されている。ドームは、チューブ内部に圧入されるか、あるいは接着剤やその他の取り付け要素が使用されうる。
【００３２】
細長い中空の波長変換チューブ１１０は、そのなかに蛍燐光体を分散されて含む、上述のＯＳ４０００材料のような、プラスチック、エポキシ、シリコーン、および／またはその他の透明または半透明な材料の板から構築することができる。当材料は、所望の濃度の蛍燐光体を混入され、次に板状に整形され、硬化されうる。板は、まるめて貼り付けることでチューブにすることができ、所望の長さに切断することができる。あるいは、そのなかに封入された蛍燐光体を含むプラスチック材料のストローを供給して、所定の寸法に切断してもよい。さらに、中空の波長変換チューブ１１０は、型で成形してもよいし、押し出しで成形してもよいし、および／またはその他の従来のプロセスによって成形してもよい。蛍燐光体は、従来のＹＡＧ蛍燐光体、従来の（Ｃａ，Ｓｉ，Ｂａ）ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋（ＢＯＳＥ）蛍燐光体、および／または、組成および／または濃度を、半導体発光デバイス１２０の特徴および／またはその他のパラメータによって変えたその他の従来の蛍燐光体でもよい。細長い中空の波長変換チューブ１１０は、排気しても、空気でみたしても、または不活性ガスおよび／または反応性気体でみたしてもよい。チューブは、また固体および／またはゲルをそのなかに含むことによって、例えば封止、屈折率整合等をすることもできる。波長変換材料１１４は、細長い波長変換チューブ壁１１２に均一または不均一に分散させることができる。均一または不均一な組成および／または濃度を採用することができる。
【００３３】
寸法としては、細長い中空の波長変換チューブ１１０は、約１ｍｍから約１００ｍｍの間の長さを有し、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの間の内径を有することができる。チューブ壁１１２は、約０．０５ｍｍから約２ｍｍの間の厚さを有することができる。そのなかに波長変換粒子を重量比で約１％から約７０％の間の濃度で分散させてもよい。本発明の各種の実施形態による細長い中空の波長変換チューブを使用することで効率的な白色光が得られうる。例えば、約１ｍｍ２の大きさで室温で約３５０ｍＡの駆動電流を有するＣｒｅｅ（登録商標）ＥＺ１０００型ＬＥＤを、長さが約４５ｍｍで内径が約９ｍｍで壁厚が約２ｍｍで、重量比で約３０％の濃度でそのなかかにＩｎｔｅｍａｔｉｘ  ＢＯＳＥ蛍燐光体を分散された柔軟で透明なシリコーンの板から作成された細長い中空の波長変換チューブと組み合わせることによって、約１７０ルーメンの光出力、約４７００Ｋの色温度において約１６０ルーメン／ワットの効率、そして約５５００Ｋの色温度において約１５０ルーメン／ワットの効率を得ることができる。図１９は、これらの実施態様の例について、ＣＣＴとルーメン／ワット（ｌｍ／ｗ）での効率との関係を示すグラフである。図１９で、蛍燐光体の各種濃度を用いることで所望の色温度を得られることが分かる。
【００３４】
動作原理によって限定されることは望まないが、半導体発光デバイス１２０によって放射された光のほとんどすべてが傾いた角度で細長い波長変換チューブ壁１１２に当たるようにすることによって、本発明の各種の実施形態により高効率の白色光生成が実現することができる。さらに詳細には、図２Ａを参照すると、パッケージ化された発光ダイオードは、ランバート形状２２０で光を放射することがあり、ここで放射強度は、観察者の視線と半導体発光デバイス１３０の表面に垂直な軸２１０との間の角度の余弦に正比例する。ランバート形状２２０は、発光デバイス１２０がランベルト形状で光を放射するように設計し、この放射形状を変化させないようにドーム１２６を設計することによって得ることができ、あるいは、発光デバイス１２０が光を非ランバート形状に放射するように設計し、そしてドーム１２６から光がランバート状に放射するようにドーム１２６内の１つ以上の光学要素を設計することによって得られる。他の実施形態では、図２Ｂに示されるように、パッケージ化された、あるいはパッケージになっていない発光ダイオードが、集中的な形状２３０に（すなわち、狭非近接場放射）光を放射し、横方向よりも放射軸２１０に近いほど放射エネルギーが大きいようにすることができる。さらにこの集中的な形状は、集中的な形状に光を放射するように発光デバイス１２０を設計し、この放射形状を変更しないようにドーム１２６を設計することによって、あるいは、非集中的な形状に光を放射するように発光デバイス１２０を設計し、ドーム１２６から放射される光が集中的な形状になるようにドーム１２６を設計することによって得ることができる。その他の従来の放射パターンを使用することも可能である。
【００３５】
従来、ドーム１２６を半球形に設計して、放射される光１２２がドーム表面に直交してドームを横切るようにすることができる。そこで、蛍燐光体がドーム１２６の内側および／または外側表面に被覆されている場合、放射された光の大部分は、散乱されてデバイス１２０に戻る。これとは際立って対照的に、図１Ｂに示されたように、パッケージ化されたＬＥＤ１３０が細長い中空の波長変換チューブに相対的に搭載されると、放射された光１２２の少なくとも２０％は、図１Ｂに示されたように、傾いた角度で細長い中空の波長変換チューブ壁１１２に当たる。散乱されて半導体発光デバイス１２０に戻る光を、かなりの程度減少させることができる。さらにいくつかの実施形態では、放射された光１２２の少なくとも９０％が図１Ｂに示されるように、傾いた角度で細長い中空の波長変換チューブ壁１１２に当たる。散乱されて半導体発光デバイスに戻る光を、かなりの程度減少させることができる。
【００３６】
したがって本発明のいくつかの実施形態では、半導体発光デバイス１２０から放射された光が、一般的には直角にドーム１２６を通過するが、細長い中空の波長変換チューブ壁１１２には実質的に傾いた角度で当たるようにすることができる。すなわち、本発明のいくつかの実施形態は、パッケージ化された発光ダイオード１３０のドーム１２６が一次的な光学面を提供して、ランバート放射によって放射された光のほとんどすべてが表面に直角に横切るのに対し、細長い波長変換チューブ壁１１２が、そのなかに分散された波長変換材料１１４を含む二次的な光学面を提供し、ほとんどすべての光が二次的光学面１１２に傾いた角度で入射するようにするものであるとみなすことができる。
【００３７】
動作原理によって限定されることは望まないが、本発明の実施形態の高い効率は、細長い中空の波長変換チューブ１１０内部に確立されうる異なる経路長によるものとして説明できる。特に、図３および３Ａを参照すると、半導体発光デバイス１２０から放射された光１２２は、光線３１０で示されるようにチューブ壁１１０の内側表面で反射され、また光線３１２で示されるようにチューブ壁内部で屈折する。光線３１４で示されるように、外側壁からもさらに内部反射が発生し、もとの光の一部３１６がチューブから出る。壁１１２を通過する経路が光線３１２で示されている。これと対照的にチューブ壁１１２内部に埋め込まれた蛍燐光体粒子１１４に光が当たると、それは変換されて、光線３２２で示されるようにあらゆる方向に散乱される。
【００３８】
したがって図３および３Ａに示されたように、半導体発光デバイス１２０の付近を除いて、光が反射されて半導体発光デバイス１２０に戻ることは非常に少ない。半導体発光デバイス１２０から出る、青色光のような光１１２が例えば黄色光に変換されるためには、波長変換材料（例えば、蛍燐光体）粒子１１４に当たらなければならない。一旦変換されたあとは、変換された放射３２２は最小の障害で、ＬＥＤ１３０からだけでなく、他の波長変換材料の粒子１１４からも脱出することが望ましい。すなわち、波長変換材料層は、青色光に対して厚く見えるが、黄色の放射３２２に対しては薄く見えることが望ましい。チューブ１１０は、このことを実現する手助けとなる。なぜなら、青色光は、斜めに入射するのでチューブ壁１１２を通過する長い経路３１２を有し、より少ない波長変換材料１１４で同量の変換が実現できる。すなわち、青色光は、斜めに入射することによりチューブ壁１１２を通過するより長い経路３１２を有するため、チューブは、入射する青色光に対してより厚く見える。チューブがより厚く見えることから、蛍燐光体の濃度は、低くてよい。低い濃度の蛍燐光体を使用すれば、蛍燐光体による障害が少なくすることができる。したがって、いくつかの実施形態では、そのなかに埋め込まれた波長変換材料１１４によって変換された光３２２に対する経路長を増やすことなしに、半導体発光デバイス１２０から放射されそのなかに埋め込まれた波長変換材料１１４に当たらない光１２２に対しては、細長い波長変換チューブ壁１１２を通過する、より長い経路長３１２を提供するように、細長い中空の波長変換チューブ１１０が、半導体発光デバイス１２０に相対的な向きで置かれている。
【００３９】
本発明の各種の実施形態にしたがうことによって、細長い中空の波長変換チューブのさまざまな構成が得られうる。例えば、図４に示されるように細長い中空の波長変換チューブ１１０は、第１および第２の対向する端部１１０ａ、１１０ｂを含み、半導体発光デバイス１２０は、第１の端部１１０ａに隣接して位置する。さらに図４およびそれに続く他の図面で分かるように、半導体発光デバイス１２０は、細長い中空の波長変換チューブ１１０の外側に示されている。これらの実施形態では、光１２２をチューブ１１０内部に導くように、反射体、レンズ、および／またはその他の光学要素を設けることができる。しかし、他の実施形態では、半導体発光デバイス１２０は、少なくとも部分的に細長い中空の波長変換チューブ１１０中に入り込むようにすることができる。さらに他の実施形態では、半導体発光デバイス１２０は、細長い中空の波長変換チューブ１１０内部に完全に入り込んでいる。
【００４０】
図４で、第２の端部１１０ｂは、開放端になっている。これと対照的に、図５で第２の端部１１０ｂは、閉じた第２の端部になっており、そこにキャップ５１０を設けることができる。キャップ５１０は、反射性のものであることができおよび／またはそのなかに波長変換材料を含むこともできる。キャップ５１０は、平坦であってもよいし、図示されているように平坦でなくてもよい。例えば、半球形、プリズム形、表面模様を有するもの、および／またはマイクロレンズで覆われたキャップを使用することができる。キャップ５１０中の波長変換材料は、組成および／または濃度に関して、細長い波長変換チューブ壁１１２内の波長変換材料１１４と同じものであっても、違うものであっても構わない。他の実施形態では、図６に示されるように、第２の端部１１０ｂは、クリンプされた第２の端部６１０になっている。ここで使用されている「クリンプされている」という表現は、勾配の付いた端部を示し、なんら特別な製造方法を意味しない。すなわち、図６は、弾丸形状の細長い中空の波長変換チューブ１１０の実施形態を示している。
【００４１】
上で説明してきた発明の実施形態は、細長い中空の波長変換チューブ１１０の第１の端部１１０ａに１つ以上の半導体発光デバイス１２０を採用している。しかし、他の実施形態では、チューブ１１０の両端に少なくとも１つの半導体発光デバイスが設けることができる。例えば、図７に示されるように、第１の半導体発光デバイス１２０ａが細長い中空の波長変換チューブ１１０の第１の端部１１０ａに隣接して含まれており、細長い中空の波長変換チューブ１１０内部に光を放射するような向きに置かれている。第２の半導体発光デバイス１２０ｂが第２の端部１１０ｂに隣接して配置されて、細長い中空の波長変換チューブの内部に光１２２ｂを放射するような向きに置かれている。
【００４２】
図８は、他の実施形態を示しており、細長い中空の波長変換チューブ１１０内部の、第１および第２の半導体発光デバイス１２０ａおよび１２０ｂとの間に両面反射体８１０が含まれている。両面反射体８１０は、鏡、ボール・ベアリング、および／またはそれに入射する光の少なくとも一部を反射するその他のデバイスとして具体化することができる。例えば、半球形、プリズム形、表面模様を有するもの、および／またはマイクロレンズで覆われた両面反射体を設けることができる。両面反射体８１０は、平坦であっても、図示のように平坦でなくても構わない。両面反射体は、また波長変換材料を含むことができる。図９Ａは、他の実施形態を示しており、９１０として示されるように細長い中空の波長変換チューブ１１０が、第１および第２の半導体発光デバイス１２０ａおよび１２０ｂとの間でクリンプされている。図９Ａは、緩やかにクリンプされて完全に閉じている様子を示しており、図９Ｂは、完全には閉じられていないステップ状のクリンプ９２０を示している。
【００４３】
図１０は、他の実施形態を示しており、第１および第２の半導体発光デバイス１２０ａおよび１２０ｂは、細長い中空の波長変換チューブ１１０の内部で互いに背中合わせの向きに配置されており、それによって第１の半導体発光デバイス１２０ａが光１２２ａを第１の端部１１０ａに向けて放射し、第２の半導体発光デバイス１２０ｂが光１２２ｂを第２の端部１１０ｂに向けて放射するようになっている。他の実施形態では、第１および／または第２の端部１１０ａ、１１０ｂが図５のキャップ５１０のようなキャップを含むことができ、また図６のクリンプ６１０を含むように、クリンプされまたは先細にすることができ、あるいは、図示のように開放端にすることができる。さらに２つの端部は、同じ種類の終端でなくてもよい。
【００４４】
細長い中空の波長変換チューブ１１０は、それ自身多くの異なる形状を有することができる。例えば、図１１Ａで、細長いチューブ壁１１２は、図示のように表面模様を有する内側および外側表面を含む。この表面模様は、均一であってもよいし、および／または均一でなくてもよい。表面模様は、光の散乱を促進しうる。さらに図１１Ｂは、他の実施形態を示しており、未変換光を導いて波長変換チューブ内での経路長をさらに増やすために、鋸歯形状またはその他の形状が使用することができる。その他の光導波用の形状を使用することもできる。
【００４５】
他の実施形態では、図１２および１３に示されるように、細長い波長変換チューブ壁１１２を支える支持層を設けることができる。図１２で、支持層１２１０は、細長い中空の波長変換チューブ壁１１２の外側表面にあり、他方、図１３では、支持層は、細長い中空の波長変換チューブ壁１１２の内側表面にある。実際、図１２および１３の実施形態は、支持チューブ１２１０、１３１０の内側または外側にそれぞれ波長変換材料１１４を被覆して、支持材料上へのコーティングとして細長い中空の波長変換チューブ１１０が実際に具体化されるように作製されうる。さらに別の実施形態では、支持層は、細長い波長変換チューブ壁１１２の内側および外側の両面に設けられうる。
【００４６】
他の実施形態によれば、複数の同心円状の細長い中空の変換チューブ１１２を提供することができる。特に、図１４に示されるように、第１の細長い中空の波長変換チューブ１１２ａと第２の細長い中空の波長変換チューブ１１２ｂとが互いに同軸状に設けられている。これらのチューブは、互いに分離され、共通の支持層１４１０で支えるようにすることができる。図１４の実施形態は、実際には、支持層１４１０の内側および外側表面に波長変換材料１１４を被覆することによって作製することができる。図１４の実施形態では、第１および第２の細長い波長変換チューブ壁１１２ａ、１１２ｂに分散された波長変換材料１１４は、組成および／または濃度に関して同じであっても、あるいは異なっていてもよい。
【００４７】
図１５は、１つの半導体発光デバイス１２０または半導体発光デバイスのクラスタ１２０に対して複数の細長い中空の波長変換チューブ１１０が設けられている他の実施形態を示している。すなわち、半導体発光デバイス１２０または半導体発光デバイスのクラスタ１２０が、各チューブの第１の端部に隣接して位置している。図１６では、細長い中空の波長変換チューブ１１０が共通の原点の周囲に広がっており、半導体発光デバイス１２０は、共通の原点に隣接している。いくつかの実施形態においては、図１６は、共通の原点を囲み、図の面内で二次元の配列を提供するように広がる複数の中空の波長変換チューブ１１０を示す断面図とみなすことができる。また、図１６は、矢印１６１０で示すように、共通の軸１６００の周囲に広がる中空の細長いチューブ１１０の三次元配列の断面を示すものとみなすこともできる。このように、これらの実施形態によれば、半導体発光装置に対して花びらのようなデザインを提供することができる。
【００４８】
上で説明したような本発明の各種の実施形態は、従来の白熱ランプのフィラメントまたは小型蛍光電球に類似しうる半導体発光フィラメントを提供するものとみなすこともできる。すなわち、図１７に示されるように、細長い中空の波長変換チューブ１１０は、いずれかの端部に１つのパッケージ化された半導体発光デバイス１３０を含む。パッケージ化された半導体デバイス１３０は、熱伝導性スタンドオフ１７２０および／またはその他の従来の搭載技術を用いて基部１７１０上に搭載されうる。球状部分１７３０およびネジ式の基部１７４０を設けることができ、細長い中空の波長変換チューブ１１０とそれの対向する両端部にあるパッケージ化された半導体発光デバイス１３０との組合せが白熱電球の完全互換品となるフィラメントを提供している。図１７が簡略化された表現であること、および白熱電球の完全互換品としては電圧変換回路、熱管理システム等が含まれうることは理解されよう。
【００４９】
他の実施形態では、図１８に示されるように、フィラメントは、直線的な配列に、端から端に向かってに置かれている。ヒート・シンク１８１０および／または反射体１８２０も設けられていてもよい。
【００５０】
以上のように、これまでの説明および図面に関連して多くの異なる実施形態が開示されてきた。これらの実施形態のすべての組合せおよび部分的な組合せについて文字通り記載し示すことは、過度に反復的であり、混乱のもととなることは理解されよう。したがって、図面を含めた本明細書は、ここに説明した実施形態のすべての組合せおよび部分的な組合せ、そしてそれらを作製し、それらを利用する方法およびプロセスの完全な記述説明を構成するものと解釈されるべきであり、任意のそのような組合せまたは部分的な組合せについての請求項の記載をサポートすべきである。例えば、ここに示した実施形態の任意のものには、むき出しになった半導体発光デバイス・ダイあるいはパッケージ化された半導体ＬＥＤ；開放端、キャップ付きあるいはクリンプされた端部；細長い中空の波長変換チューブの完全に外側にある、部分的に内側にある、あるいは完全に内側にある１つ以上のむき出しのあるいはパッケージ化された半導体発光デバイス；１つ以上の支持層；同心円状にあるいは二次元あるいは三次元に配置され、またはヒート・シンク、反射体、駆動回路、および／またはその他の構成要素を含むようにパッケージ化された１つ以上の細長い中空の波長変換チューブが含まれうる。
【００５１】
図面および明細書のなかで本発明の実施形態が開示されてきた。特定の用語が用いられたが、それらは、一般的で記述的な意味でのみ用いられており、限定する目的はなく、発明の範囲は、以下の請求項によって規定される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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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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