(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープされたYAGのタイプの蛍光体を有する多結晶セラミック構造の蛍光体であって、前記蛍光体が、セラミックマトリックス複合材料を形成するよう、非発光多結晶アルミナを有するセラミックマトリックスに埋め込まれ、前記セラミックマトリックス複合材料が、粒界を有し、80乃至99.99vol.%のアルミナと、0.01乃至20vol.%の蛍光体とを有することを特徴とする多結晶セラミック構造の蛍光体。
【請求項２】
前記セラミックマトリックス複合材料が、気孔を有し、前記気孔の少なくとも90%が、300nmより小さい平均気孔寸法を持つ請求項１に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体。
【請求項３】
前記蛍光体が、(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrbの組成を持ち、0＜x≦1、0≦y＜1、0≦z≦0.1、0≦a≦0.2、0≦b≦0.1且つa+b＞0であるドープされたYAGである請求項１又は２に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体。
【請求項４】
前記セラミックマトリックス複合材料が、90乃至99.9vol.%のアルミナと、0.1乃至10vol.%の蛍光体とを有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体。
【請求項５】
前記セラミックマトリックス複合材料が、95乃至99vol.%のアルミナと、1乃至5vol.%の蛍光体とを有する請求項４に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体。
【請求項６】
前記セラミックマトリックス複合材料中に含まれる粒子の平均粒径が、0.3乃至50μmである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体及び発光ダイオードを有する発光素子。
【請求項８】
前記セラミックマトリックス複合材料が、前記発光ダイオードの上に成形カップのように付けられ、又は前記発光ダイオードの上部に平板のように付けられ、50μmと1mmとの間の厚さを持つ請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
請求項７に記載の素子を有する発光装置。
【請求項１０】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体を作成する方法であって、蛍光体及びアルミナの粒子の粉末をスラリに変えるステップと、前記スラリを、多結晶蛍光体含有セラミックアルミナ複合構造体に成形するステップと、発光ダイオードに取り付けられる前に、随意に熱間等方圧加圧と組み合わせて、熱処理を加えて、前記セラミックマトリックス複合材料にするステップとを有する方法。
【請求項１１】
セラミック光変換パッケージ、コリメートレンズ若しくはコリメート反射器、光のためのカップリングアウト構造、又は熱放散装置を得るために、前記スラリが、スリップキャスト又は射出成形によって多結晶蛍光体含有セラミックマトリックス複合材料に成形される請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
−  前記セラミックマトリックス複合材料中の蛍光体及びアルミナの割合と、
−  前記セラミックマトリックス複合材料中に含まれる粒子の平均粒径と、
−  前記セラミックマトリックス複合材料の気孔率とのうちの少なくとも１つを変えることによって、請求項６に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体の光拡散特性を調整する方法。
【請求項１３】
−  前記セラミックマトリックス複合材料中の前記蛍光体及び前記アルミナの割合と、
−  前記蛍光体におけるセリウム及び／又はプラセオジムとYAGの割合と、
−  前記YAGの組成とのうちの少なくとも１つを変えることによって、請求項３乃至６のいずれか一項に記載の多結晶セラミック構造の蛍光体の光放射特性を調整する方法。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれかのステップを有する、請求項７又は８に記載の発光素子を作成する方法であって、前記セラミックマトリックス複合材料が発光ダイオードに取り付けられる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶セラミック構造の蛍光体と、前記蛍光体を具備する発光ダイオードを有する発光素子と、前記蛍光体を作成する方法と、前記蛍光体の光拡散特性及び光放射特性を調整する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような多結晶セラミック構造の蛍光体は、発光セラミック複合材料(luminescent ceramic composite)を形成する。
【０００３】
最先端の高輝度白色光ＬＥＤ（発光ダイオード）は、限界に直面している。ＬＥＤ上に堆積される蛍光体層は、光のＬＥＤ内への後方散乱のために、光損失をもたらす。後方散乱損失は、一般に、20乃至30%である。更に、接合部温度及び蛍光体温度が、高くなり、光学部品（蛍光体カプセル(phosphor encapsulant)及び抽出レンズ(extraction lens)）が、事実上ＬＥＤをおおう(insulate)高出力アプリケーションの場合は、ＬＥＤ及び蛍光体からの伝熱が問題となる。一般に用いられるカプセルマトリックス(encapsulant matrices)は、シリコーン及び／又はエポキシ樹脂で作成されるが、これらの材料は、熱伝導率が非常に低く、マトリックス材料と、ＬＥＤ材料との屈折率のずれのために、光のカップリングアウト(coupling-out)が最適なものより少なく、それらの光熱安定性(photo-thermal stability)が限られている。
日本の特開2003-243717号公報は、発光ダイオードの表面上に取り付けられるセラミック基板を記載している。セラミック基板は、可視光領域において透光性であり、YAG（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）蛍光体を有する。この特許公報によれば、樹脂が基材である従来の事例と比べて、発光色及び発光量の経年変化及びばらつきが抑制され得る。この特許公報は、基材が青色ＬＥＤ光の後方散乱の発生を防止するのに必要とされる特定の条件及びマトリックス材料の種類(nature)について言及していない。
ドイツ特許出願公開第10349038号公報は、セラミック基材の役割を果たす、主に蛍光体によって形成される材料（即ち、CeをドープしたYAG）を開示している。基本材料(basic material)の中には異種結晶(foreign crystals)として少量のアルミナが存在してもよい。セラミック材料及び異種結晶の粒径(grain size)は、1乃至100μmである。開示されている材料は、様々な不利な点を持つ。所望の色均一性を得るのに必要である前方散乱に寄与することが出来るのは、気孔(pores)及び異種結晶だけである。しかしながら、これらの気孔及び異種結晶は、後方散乱ももたらす。YAG:Ceを基本材料として使用することの不利な点は、その熱伝導率が低く、前記材料及びその製造プロセスのコストが高いことにある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、これらの問題及び不利な点を多少とも解消し、改良された発光素子を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の問題は、ドープされたYAGのタイプの蛍光体であって、前記蛍光体が、セラミックマトリックス複合材料を形成する非発光多結晶アルミナ(non-luminescent polycrystalline alumina)を有するセラミックマトリックスに埋め込まれ、前記セラミックマトリックス複合材料が、80乃至99.99vol.%のアルミナと、0.01乃至20vol.%の蛍光体とを有する、ドープされたYAGのタイプの蛍光体を用いることによって効率的に解決され得ることが分かった。
【０００６】
本発明における蛍光体という用語は、発光特性(luminescent properties)を持つ材料という通常の意味を持つ。
【０００７】
欧州特許出願公開第1369935号公報には、マトリックスに埋め込まれる蛍光体を有する他のＬＥＤが開示されている。しかしながら、欧州特許出願公開第1369935号公報に記載されている蛍光体は、一般的には、エポキシ又はシリコーン母材に埋め込まれ、それは、依然として、上記及び他の不利な点を持つ。
【０００８】
本願の特許請求の範囲に記載されている、多結晶セラミック構造の蛍光体、及び発光セラミック複合材料としてこのような蛍光体を有する発光素子（ＬＥＥ）、即ち、多結晶アルミナのマトリックスに埋め込まれる（YAG:Ceなどの）ガーネット蛍光体の多結晶セラミック複合材料は、前記従来技術には記載されていない。
【０００９】
前記発光材料の主な機能は、必要とされる白色発光をもたらすように、青色光の一部を変換し、残りの部分を透過するというものである。適切な白色発光をもたらす新しい前記発光セラミックの一般的な寸法及び材料組成は、上部において、２００乃至１０００ミクロンの厚さ、及び例えば約15乃至7vol.%のY2.94Ce0.06Al5O12から下は例えば約3乃至1.4vol.%のY2.7Ce0.3Al5O12に至るまでの範囲内のあたりの容量パーセントの蛍光体を備える発光セラミック基板と、ＬＥＤの組み合わせである。高輝度蛍光体変換ＬＥＤの場合は、下は５０ミクロンに至るまでの壁厚、及び下は12vol.%のY2.7Ce0.3Al5O12に至るまでの容量パーセントのYAGを備える薄い共形発光カップ(thin conformal luminescent cup)は、適切な白色発光をもたらす。
【００１０】
本発明の新しい多結晶セラミック複合材料は、蛍光体変換ＬＥＤで生じる一般的な光学的な問題及び光と熱とに関する問題に対するソリューションを供給する。以下は、光学的特性、熱特性、及びこれらの新しい材料の処理に関しての利点を含む、前記従来技術に記載されている他の基本材料を有するマトリックスに優る、本発明の利点の一部である。
熱的には：
【００１１】
発光ダイオードにおける電力損失は、非常に重要な要素である。発光ダイオードの動作は、前記発光ダイオードの温度に依存し、装置の効率は、装置の温度の上昇に伴って低下する。前記蛍光体の効率は、温度の上昇に伴って低下することから、ストークスシフトロスにより前記蛍光体において生成される熱の放散は重要である。この側面は、高出力、高輝度ＬＥＤ光源にとってとりわけ重要である。
【００１２】
純粋なAl2O3（アルミナ）の熱伝導率は、YAGの熱伝導率より高い（15W/mKに対して35W/mK）。それ故、本願の複合材料の熱伝導率は、基本材料としてYAGを持つドイツ特許出願公開第10349038号公報のセラミック材料の熱伝導率より高い。結果として、周囲へのより優れた熱放散を備える、発光セラミック複合材料が得られ、従って、発光素子も得られ、より低い蛍光体温度及びダイオード温度をもたらし、従って、本願発明の複合材料にあっては、同じ電力においてより高い光束をもたらす、又は同じ光束をより低い電力においてもたらす。 
光学的には：
【００１３】
前記発光材料における光の散乱の支配(master)することの重要性は、よく認識されている（例えば欧州特許出願公開第1369935号公報参照）。光の散乱は、ＬＥＤとセラミックとの組み合わせ（即ち、ＬＥＥ）からの一様な角度のスペクトル放射を実現するのに役立つが、高い率の光の散乱は、とりわけ、前記ＬＥＤ自身によって再吸収される光の後方散乱損失のために、有害である。多くても20vol.%の容量の前記蛍光体では、前記後方散乱損失が、従来技術の蛍光体層について一般に知られている20乃至30%の範囲よりずっと低い低下させられたレベルに保たれ得ることが分かった。
【００１４】
エポキシ又はシリコーンなどの埋め込みシステム(embedded system)中の蛍光体における光の散乱は、とりわけ、前記蛍光体の材料と、前記エポキシ又はシリコーンとの間の屈折率のずれに依存する。蛍光体粒子の量及びそれらの大きさは、成形体を通る路程が、十分な青色光が黄色光に変換されるだけ長く、適量の青色光が、埋め込み蛍光体層を通過させられるだけ短いように選ばれなければならない。結果として生じる光の散乱は、前方だけでなく後方にも光を散乱させる。後方散乱光は、前記ＬＥＤにおいて再吸収される可能性がかなりある。これは、前記効率を低下させる。ドイツ特許出願公開第10349038号公報においては、前記エポキシが透明セラミックマトリックスに置き換えられている。光の散乱をもたらす第２相(second phases)又は気孔を導入することによって色の均一性が達成され得ることが述べられている。しかしながら、とりわけ気孔は、後方散乱ももたらし、従って、効率低下ももたらす。本発明の有利な面は、主に、アルミナ中のYAG:Ceの割合を約20 vol.%までに限定することによって、前記発光材料における前記後方散乱損失を低下させることが出来ることにある。気孔率及び気孔寸法分布を制御することによって更なる改善が達成される。有利な実施例においては、前記セラミック複合材料は、多くて約1%の気孔率を持つ。更に、前記気孔寸法は、小さく保たれるべきであり、例えば300nmより小さく、好ましくは100nmより小さく保たれるべきである。50nmより小さい気孔寸法では、最良の結果が達成可能である。
【００１５】
前記YAGの割合の前記限定と組み合わせると、5%という低い後方散乱損失に達することが可能である。
【００１６】
前記蛍光体粒子のための前記マトリックスとしてアルミナを採用することは、後方散乱をもたらさない、前記発光素子の色の均一性の調整において付加的な利点をもたらす。アルミナの六角形の結晶構造、及び主な２方向における屈折率の差の小ささのために、光は、粒界(grain boundaries)において屈折させられ、即ち、散乱されるが、反射又は後方散乱成分は、少なくとも前方散乱することが出来るもの(forward diffusion ability)より非常に少ない。従って、マトリックス材料としての多結晶アルミナの使用は、前記発光セラミック複合材料の効率を更に改善し、結果として、前記発光セラミック複合材料を具備する前記発光素子の効率を更に改善するであろう。前記材料で構成する面及び前記前方散乱は、色の均一性の改善を達成するために用いられる。この目的のため、前記セラミックマトリックス内に含まれる前記粒子の平均粒径が0.3乃至50μmであると有利であることが分かった。 
カラーポイント及び色温度： 
【００１７】
或る一定の程度の青色の変換のためには、或る一定の量のCeが必要とされる。YAG:Ceの放射スペクトルは、YAG格子(YAG lattice)中のCeの密度に依存する。活性化イオン（Ce又はPr）が拡散によって添加され、マトリックスにおいて均一な密度が得られる他の格子と比べて、本願の複合材料は、蛍光体粉末（YAG:Ce）において、局所的に、ドイツ特許出願公開第10349038号公報に基づく同じ総量のCeの密度に対して、高いCe密度を持つことを可能にする。従って、Ceの密度を、全体としての密度を低く維持しながら、高くすることが可能である。これは、カラーポイント及び色温度の最適化において更なる自由度を与える。それは、ＬＥＤ装置の組立てにおいても好都合であり得る。なぜなら、扱い易い、共形蛍光体層（一般的に３０ミクロン）のシートより厚いシートが利用され得るからである。
処理：
【００１８】
透明YAG体(transparent YAG-bodies)を作成するのは困難である。なぜなら、YAGは、組成の幅が非常に狭い化合物(line compound)であり、多くの場合、目的とするYAG相(intended YAG phase)の隣にアルミニウム又はイットリウムを多量に含有している相が見出されるからである。しかしながら、アルミナの処理は適切に制御される。アルミナはまた、YAGより安価である。更に、透光性アルミナは、相対的に低い温度で作成され得る。薄膜又は共形蛍光体層を備える上記の装置は、扱いにくい可能性がある。なぜなら、前記蛍光体層は壊れやすい傾向があるからである。本発明の実施例によれば、波長変換層は、発光セラミックマトリックス複合材料を形成するアルミナマトリックス中の蛍光体から形成される。前記発光セラミックマトリックス複合材料は、一般に、半導体装置とは別に形成される自己支持層(self-supporting layer)であり、その場合、それは、完成した前記半導体装置に取り付けられる、又は前記半導体装置の成長基板(growth substrate)として用いられる。前記セラミックマトリックス複合材料の層は、透光性又は透明であり得る。これは、共形層のような不透明波長変換層に付随する散乱損失を低減する。発光セラミックマトリックス複合材料層は、薄膜又は共形蛍光体層よりロバストであり得る。更に、発光セラミックマトリックス複合材料層は固体であることから、同じく固体であるレンズ及び二次光学部品(secondary optics)などの付加的な光学素子と光学的接触をするのがより容易であり得る。
【００１９】
本発明に従って用いられる蛍光体は、YAGタイプ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）のものである。発光セラミックマトリックス複合材料層に形成され得る蛍光体の例は、Lu3Al5O12:Ce3+及びY3Al5O12:Ce3+のような、一般式(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrbを備え、ここで、0＜x≦1、0≦y＜1、0≦z≦0.1、0≦a≦0.2、0≦b≦0.1且つa+b＞0であるYAG蛍光体であって、緑色乃至黄色の範囲内の光を放射するYAG蛍光体を含む。適切なY3Al5O12:Ce3+セラミック材料は、ノースカロライナ州、シャーロットのBaikowski International Corporationから購入され得る。 
【００２０】
発光セラミックマトリックス複合材料は、アルミナ及び蛍光体の粉末のスラリ(slurry)を形成するステップと、前記スラリを粉末成形体(powder compact)に成形するステップと、随意に熱間等方圧加圧（hot isostatic pressing）と組み合わせて、熱処理を加えて、後方散乱が最少限である多結晶蛍光体含有アルミナセラミック複合構造体にするステップとを有する処理によって形成され得る。前記セラミック材料は、80乃至99.99vol.%のアルミナと、0.01乃至20vol.%の蛍光体とを有する。より好ましくは、前記セラミック材料は、90乃至99.9vol.%のアルミナと、0.1乃至10vol.%の蛍光体とを有し、最も好ましくは、前記セラミック材料は、95乃至99vol.%のアルミナと、1乃至5vol.%の蛍光体とを有する。アルミナと、蛍光体との合計は、必ずしも100vol.%とは限らず、少量の他の金属、合金、無機化合物などがある場合には、より小さいであろう。透明なＬＥＥを得るためには、0.3μmと50μmとの間の、好ましくは、20μmと40μmとの間の平均寸法を持つセラミック粒子を作成するのが更に好ましい。
【００２１】
前記処理は、随意に安定剤及び接合剤を用いての、アルミナ及び蛍光体の粉末の混合と、その後の粉末成形体の成形とを有する。前記粉末成形体は、その後、有機接合剤を除去し、前記成形体の高密度化を達成するために加熱される。結果として生じる物体は、高い透光性及び波長変換特性を持つ。従来の共形蛍光体層又は透明樹脂内に配置される蛍光体層とは異なり、多結晶アルミナ蛍光体複合材料は、実質的に有機材料を含まない（1%未満である）。 
【００２２】
発光セラミックマトリックス複合材料素子は、例えば、ウェハーボンディング、焼結、エポキシ又はシリコーンなどの既知の有機接着剤の薄い層による接着、屈折率の高い(high-index)無機接着剤による接着、及びゾルゲルガラスによる接着によって発光装置に取り付けられ得る。 
【００２３】
屈折率の高い接着剤の例は、Schott glass SF59、Schott glass LaSF 3、Schott glass LaSF N18及びそれらの混合物などの屈折率の高い光学ガラスを含む。これらのガラスは、ペンシルベニア州、ドリエのSchott Glass Technologies Incorporatedから入手可能である。他の屈折率の高い接着剤の例は、(Ge,Sb,Ga)(S,Se) カルコゲナイドガラスなどの屈折率の高いカルコゲナイドガラスと、GaP、InGaP、GaAs及びGaNを含むが、これらに限定されないIII-V半導体と、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe及びCdTeを含むが、これらに限定されないII-VI半導体と、Si及びGeを含むが、これらに限定されないIV族半導体及び化合物と、有機半導体と、酸化タングステン、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化インジウムスズ及び酸化クロムを含むが、これらに限定されない金属酸化物と、フッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムを含むが、これらに限定されない金属フッ化物と、Zn、In、Mg及びSnを含むが、これらに限定されない金属と、YAGと、リン化合物と、砒素化合物と、アンチモン化合物と、窒素化合物と、屈折率の高い有機化合物と、それらの混合物又は合金とを含む。屈折率の高い無機接着剤による接着は、2000年9月12日に出願された米国特許出願番号第09/660,317号公報、及び2001年6月12日に出願された米国特許出願番号第09/880,204,号公報に、より詳細に記載されており、これらの両方とも、参照により本願明細書に盛り込まれる。 
【００２４】
ゾルゲルガラスによる接着は、米国特許番号第6,642,618号公報に、より詳細に記載されており、これは、参照により本願明細書に盛り込まれる。前記発光セラミックマトリックス複合材料がゾルゲルガラスによって前記装置に取り付けられる実施例においては、前記ガラスの屈折率を、前記発光セラミックマトリックス複合材料及び前記発光装置の屈折率とより厳密に合わせるために、前記ガラスの屈折率を高めるよう、SiO2ゾルゲルガラスには、チタン、セリウム、鉛、ガリウム、ビスマス、カドミウム、亜鉛、バリウム又はアルミニウムの酸化物などの１つ以上の材料が含まれ得る。例えば、アルミナセラミック層内の Y3Al5O12:Ce3+は、約1.76の屈折率を持っていてもよく、半導体発光装置のサファイア成長基板であって、1.76の屈折率を持つサファイア成長基板に取り付けられてもよい。前記接着剤の屈折率を、前記Y3Al5O12:Ce3+セラミック層及び前記サファイア成長基板の屈折率に合わせることは望ましい。 
【００２５】
発光セラミックマトリックス複合材料素子は、単一の蛍光体又は混ぜ合わされた多数の蛍光体を含み得る。幾つかの実施例においては、前記セラミック層中の蛍光体密度の度合いは傾斜(grade)される。この構造は、前記蛍光体粒子及びセラミックアルミナ粒子の割合と、前記セラミック複合構造体の粒子の粒径と、前記多結晶蛍光体含有セラミック複合構造体の気孔率とのうちの少なくとも１つを変えることによる、前記ＬＥＤの光拡散特性の容易な調整を可能にする。
【００２６】
幾つかの実施例においては、装置は、多数のセラミック素子を含み得る。 
【００２７】
本願の発光セラミックマトリックス複合材料素子の付加的な利点は、光抽出を増大させるために、前記セラミック素子を、成型(mold)、研削(grind)、機械加工(machine)、ホットスタンプ(hot stamp)又は研磨(polish)して、例えば層のような、望ましい形状にすることが出来ることにある。発光セラミックマトリックス複合材料素子は、一般に高い屈折率を持ち、例えば、Y3Al5O12:Ce3+セラミック素子の場合は1.75乃至1.8といった屈折率を持つ。屈折率が高い前記セラミック素子と、屈折率が低い空気との間の界面において全反射が起こるのを防止するために、前記セラミック素子は、ドームレンズなどのレンズに成形され得る。前記装置からの光抽出は、前記セラミック素子の上部を、ランダムに、又はフレネルレンズ形状にテクスチャする(texture)ことによって更に改善され得る。幾つかの実施例においては、前記セラミック素子の上部は、前記セラミック材料中に形成される孔の格子(a periodic lattice of holes)のような、フォトニック結晶構造を用いてテクスチャされてもよい。成形された前記セラミック素子は、装置の、前記セラミック素子が取り付けられる面より小さくてもよく、若しくは前記面と同じ大きさであってもよく、又は前記セラミック素子は、前記装置の、前記セラミック素子が取り付けられる面より大きくてもよい。幾つかの実施例においては、前記装置の、前記セラミック素子が取り付けられる面の長さの少なくとも２倍の長さの底面を持つ成形されたセラミック層のために、有利な光抽出が期待される。幾つかの実施例においては、前記波長変換材料は、前記セラミック素子の、前記装置に最も近い部分に限定される。他の実施例においては、前記波長変換材料は、第１発光セラミックマトリックス複合材料層内に設けられ、次いで、第２成形透明セラミック素子に取り付けられる。他の実施例においては、前記発光素子の色の均一性は、前記発光セラミックマトリックス複合材料の成形を介して確実なものにされる。
【００２８】
幾つかの実施例において、例えば、前記発光装置及び１つ以上の波長変換層からの光が混ざって白色光を形成する装置においては、前記光を混ぜ合わせるのに必要な散乱を増大させるために、上部セラミック素子の表面はざらざらにされる。他の実施例においては、当業界で既知であるような、レンズ又は光導波路などの二次光学部品によって十分な混合が達成され得る。 
【００２９】
発光セラミックマトリックス複合材料素子の他の利点は、光抽出のために成形される透明又は発光セラミックマトリックス複合材料素子を含むセラミックの良好な熱特性にある。前記素子と装置との間にはオプションの付加的な透明又は発光セラミックマトリックス複合材料素子が配置されてもよい。前記装置は、例えばフリップチップのように、サブマウントに取り付けられてもよい。サブマウント及びホスト基板(host substrate)は、例えば、銅箔、Mo、Cu/Mo及びCu/Wなどの金属；例えば、１つ以上の、Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Agの端子を含む、オーム接触(ohmic contacts)を備えるGaAs及びオーム接触を備えるSiなどの金属端子を備える半導体；並びに圧縮ダイヤモンド(compressed diamond)などのセラミックであり得る。前記セラミック素子を前記サブマウントに接続する層は、発光セラミックマトリックス複合材料素子の温度を低下させ、それによって、光出力を増大させる可能性がある、熱伝導材料であり得る。サブマウント素子に適した材料は、上記のサブマウント材料を含む。
【００３０】
以下のこれに限定されない例及び図によって本発明を更に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図２及び３は、発光セラミックマトリックス複合材料層を含む装置を図示する。図２の装置においては、適切な成長基板４０の上で、ｎ型領域４２が成長させられ、続いて、活性領域４３及びｐ型領域４４が成長させられる。成長基板４０は、例えば、サファイア、SiC、GaN又は任意の他の適切な成長基板であり得る。ｎ型領域４２、活性領域４３及びｐ型領域４４の各々は、異なる組成、厚さ及びドーパント濃度の多数の層を含んでもよい。例えば、ｎ型領域４２及びｐ型領域４４は、オーム接触のために最適化された接触層と、活性領域４３内にキャリアを含むよう最適化されたクラッド層とを含み得る。活性領域４３は、単一の発光層を含んでもよく、又は障壁層によって分離された多数の量子井戸発光層を含んでもよい。 
【００３２】
図２に図示されている装置においては、ｎ型領域４２の一部を露出させるために、ｐ型領域４４及び活性領域４３の一部がエッチング除去される。ｐ型領域４４の残存部にｐ端子４５が形成され、ｎ型領域４２の露出部にｎ端子４６が形成される。図２に図示されている実施例においては、端子４５及び４６は、光が、基板４０の裏面を通して装置から抽出されるように、反射性のものである。他の例においては、端子４５及び４６は、透明であってもよく、又はｐ型領域４４及びｎ型領域４２の表面の大部分が端子によって覆われないままであるように形成されてもよい。このような装置においては、光は、エピタキシャル構造の上面、即ち、端子４５及び４６が形成される表面を通して、装置から抽出されてもよい。 
【００３３】
図３に図示されている装置においては、エピタキシャル層は、ｐ端子４５を介してホスト基板４９に接合される。ｐ型領域４４とホスト４９との間には、接合を容易にするための付加的な層（図示せず）が含まれてもよい。ホスト４９にエピタキシャル層が接合された後、ｎ型領域４２の表面を露出させるために成長基板が除去され得る。活性領域のｐ側との接触は、ホスト４９を介して供給される。ｎ端子４６は、ｎ型領域４２の露出面の一部に形成される。光は、ｎ型領域４２の上面を通して装置から抽出される。成長基板除去は、2004年3月19日に出願された、"Photonic Crystal Light-Emitting Device,"という題名の、本願発明の譲受人に譲渡された米国出願シリアル番号第10/804,810号に、より詳細に記載されており、参照により本願明細書に盛り込まれる。
【００３４】
図２及び３に図示されている装置においては、上記のセラミック層などの発光セラミックマトリックス複合材料層５０は、装置の、光が抽出される面、即ち、図２においては基板４０の裏面、図３においてはｎ型領域４２の上面に取り付けられている。セラミック層５０は、装置から光が抽出される任意の面に形成されてもよく、又は取り付けられてもよい。例えば、セラミック層５０は、図２に図示されている装置の側面の上に延在してもよい。図３は、オプションのフィルタ３０を図示している。オプションのフィルタ３０は、活性層４３からの光が、セラミック層５０に入ることは許容するが、セラミック層５０によって放射される光が装置５２に入ることは抑制されるように、セラミック層５０によって放射される光を反射する。装置５２においては、前記光は、吸収され、損なわれる可能性がある。適切なフィルタの例は、リヒテンシュタインのUnaxis Balzers Ltd.又はカリフォルニア州、サンタローザのOptical Coating Laboratory, Inc.から入手可能なダイクロイックフィルタを含む。
【００３５】
発光セラミックマトリックス複合材料層５０は、単一の蛍光体、又は混ぜ合わされた多数の蛍光体を含み得る。幾つかの実施例においては、セラミック層における活性化ドーパントの量は傾斜される。図４は、発光セラミックマトリックス複合材料層における傾斜ドーピングプロファイル(graded doping profile)の例を図示している。図４における破線は、装置の表面を表わしている。蛍光体は、セラミック層の、装置表面に最も近い部分において、最も高いドーパント濃度を持つ。装置表面からの距離が増大するにつれて、蛍光体におけるドーパント濃度は低くなる。図４には、一定ドーパント濃度の領域を備える線形ドーパントプロファイルが示されているが、傾斜プロファイルは、例えば、段階的傾斜プロファイル又は指数関数的プロファイルを含む任意の形状をとってもよく、一定ドーパント濃度の領域を、多数含んでもよい、又は含まなくてもよいことを理解されたい。更に、幾つかの実施例においては、装置表面に最も近い領域が低いドーパント濃度を持ち、装置表面からの距離が増大するにつれてドーパント濃度が高くなるように、傾斜プロファイルを逆にすることは有利であり得る。幾つかの実施例においては、セラミック層の、装置表面から最も遠い部分は、蛍光体又はドーパントを含むことが一切許容されず、光抽出のために（下記のように）成形され得る。 
【００３６】
幾つかの実施例においては、装置は、図５に図示されている装置のように、多数のセラミック層を含む。セラミック層５０ａは、例えば、図２及び３に図示されている装置のいずれかであり得る装置５２に取り付けられる。セラミック層５０ｂは、セラミック層５０ａに取り付けられる。幾つかの実施例においては、２つのセラミック層５０ａ及び５０ｂのうちの一方が、装置において用いられる全ての波長変換材料を含み、２つのセラミック層の他方は、透明であり、それが、装置５２に隣接するセラミック層である場合には、スペーサ層として用いられる、又はそれが、装置５２から最も遠いセラミック層である場合には、光抽出層として用いられる。幾つかの実施例においては、セラミック層５０ａ及び５０ｂの各々が、異なる１つ又は複数の蛍光体を含み得る。図５には、２つのセラミック層が図示されているが、３つ以上のセラミック層及び／又は３つ以上の蛍光体を含む装置も本発明の範囲内であることを理解されたい。セラミック層５０ａ及び５０ｂ内の様々な蛍光体、又はセラミック層５０ａ及び５０ｂ自体の取り合わせは、参照により本願明細書に盛り込まれる、2004年2月23日に出願された米国出願シリアル番号第10/785,616号に記載されているように、装置内の多数の蛍光体の間の相互作用を制御するように選ばれ得る。図５には装置５２の上に積み重ねられたセラミック層５０ａ及び５０ｂが示されているが、他の構成も、可能であり、本発明の範囲内である。幾つかの実施例においては、１つ以上のセラミック層を含む装置は、図１に示されている波長変換材料などの他の波長変換層、又は薄膜、共形層、及び背景の欄に記載した発光基板と組み合されてもよい。発光性のものではない透明セラミック層は、例えば、活性化ドーパントを含まない、発光セラミックマトリックス複合材料層と同じ母材であり得る。 
【００３７】
発光セラミックマトリックス複合材料層の利点は、例えば光抽出増大させるために、セラミック層を、成型、研削、機械加工、ホットスタンプ又は研磨して、望ましい形状にすることが出来ることにある。発光セラミックマトリックス複合材料層は、一般に、高い屈折率を持ち、例えば、Y3Al5O12:Ce3+のセラミック層の場合は1.75乃至1.8の屈折率を持つ。屈折率の高いセラミック層と、屈折率の低い空気との間の界面において全反射が起こるのを防止するために、セラミック層は、図６及び７に図示されているように成形され得る。図６に図示されている装置においては、発光セラミックマトリックス複合材料層５４は、ドームレンズのようなレンズに成形されている。装置からの光抽出は、セラミック層の上部を、ランダムに、又は例えば図７に図示されているようなフレネルレンズ形状に、テクスチャすることによって、更に改善され得る。幾つかの実施例においては、セラミック層の上部は、セラミック材料中に孔の格子が形成されるようなフォトニック結晶構造を用いてテクスチャされてもよい。成形されたセラミック層は、装置５２の、前記セラミック層が取り付けられる面より小さくてもよく、若しくは前記面と同じ大きさであってもよく、又は前記セラミック層は、図６及び７に図示されているように、装置５２の、前記セラミック層が取り付けられる面より大きくてもよい。図７のような装置においては、装置５２の、セラミック層が取り付けられる面の長さの少なくとも２倍の長さの底面を持つ成形されたセラミック層のために、有利な光抽出が期待される。幾つかの実施例においては、波長変換材料は、セラミック層の、装置５２に最も近い部分に限定される。図７に図示されているような他の実施例においては、波長変換材料は、第１セラミック層５０ａ内に設けられ、次いで、第２成形透明セラミック層５０ｂに取り付けられる。 
【００３８】
幾つかの実施例においては、例えば、発光装置及び１つ以上の波長変換層からの光が混ざって、白色光を形成する装置において、光を混ぜ合わせるのに必要な散乱を増大させるために、上部セラミック層の表面はざらざらにされる。他の実施例においては、当業界では既知であるような、レンズ又は光導波路などの二次光学部品によって十分な混合が達成され得る。 
【００３９】
発光セラミックマトリックス複合材料層の他の利点は、セラミックの好ましい熱特性にある。発光セラミックマトリックス複合材料層及び熱抽出構造を含む装置が、図８に図示されている。図８は、図７と同様に、光抽出のために成形されている透明又は発光セラミックマトリックス複合材料層５０ｂを示している。層５０ｂと装置５２との間には、オプションの付加的な透明又は発光セラミックマトリックス複合材料層５０ａが配置される。装置５２は、例えば、図２に図示されているようなフリップチップのように、サブマウント５８に取り付けられる。サブマウント５８及び図３のホスト基板４９は、例えば、銅箔、Mo、Cu/Mo及びCu/Wなどの金属；例えば、Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Agのうちの１つ以上を含む、オーム接触を備えるGaAs及びオーム接触を備えるSiなどの金属端子を備える半導体；並びに圧縮ダイヤモンドなどのセラミックであってもよい。セラミック層５０ｂをサブマウント５８に接続する層５６は、発光セラミックマトリックス複合材料層５０ａ及び／又は５０ｂの温度を低下させ、それによって、光出力を増大させる可能性がある、熱伝導材料である。層５６に適した材料は、上記のサブマウントの材料を含む。図８に図示されている構成は、SiCなどの導電性基板を備えるフリップチップ装置から熱を抽出するのにとりわけ有用である。 
例
【００４０】
高分散性アルミナ微粒子から成る粉末（例えば、大明化学工業株式会社(Taimei)製のTM-DAR、Sumitomo製のAKP50）が、アルミナ粒子の（例えば湿式ボールミル粉砕(wet ball milling)又は超音波などによる）再分散(deagglomeration)並びに(例えばHNO3又はポリアクリル酸を用いての)安定化によって、水の中に分散させられた（例えばフィリップスライティング株式会社製の）YAG:Ceタイプの粉末と混ぜ合わされた。アルミナ懸濁液は、（例えばスリップキャスティング又はゲルキャスティングによって）鋳型に流し込まれた。 
【００４１】
乾燥させ、型から外した後、多孔性アルミナ製品は、実質的に焼結温度より低い温度で（安定剤及び接合剤などの）全ての不所望な成分を除去するために、酸素中でか焼された。その後、材料は、密度が95%より高くなるまで、適切な焼結雰囲気中で（例えば、真空又は酸素雰囲気の下で）焼結された。焼結処理後、焼結温度をより高くする必要なしに密度を更に高めるために、熱間等方圧加圧が施された。結果として生じた製品は、高透光性のものであり、限られた後方散乱しか示さなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来技術の蛍光体変換半導体発光装置を図示する。
【図２】多結晶アルミナ−蛍光体複合材料層、即ち、発光セラミックマトリックス複合材料を含むフリップチップ半導体発光装置を図示する。
【図３】接合されたホスト基板と、発光セラミックマトリックス複合材料とを含む半導体発光装置を図示する。
【図４】発光セラミックマトリックス複合材料層における蛍光体ドーピングプロファイルの例を図示する。
【図５】多数のセラミック層を含む半導体発光装置を図示する。
【図６】成形された発光セラミックマトリックス複合材料層を含む半導体発光装置を図示する。
【図７】前記装置内にエピタキシャル層より広いセラミック蛍光体層を含む半導体発光装置を図示する。
【図８】セラミック蛍光体層と、熱抽出構造とを含む半導体発光装置を図示する。
【図１】
0005490407.tif 000002
【図２】
0005490407.tif 000003
【図３】
0005490407.tif 000004
【図４】
0005490407.tif 000005
【図５】
0005490407.tif 000006
【図６】
0005490407.tif 000007
【図７】
0005490407.tif 000008
【図８】
0005490407.tif 000009