(57)【要約】【課題】  散乱が少なく、変換効率が増大した発光デバイスを提供すること。【解決手段】  ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された発光層を含む半導体発光デバイスが、該発光層によって放出される光の経路内に配置されたセラミック層と組み合わされる。このセラミック層は、蛍光体のような波長変換材料からなるか、又は該波長変換材料を含む。本発明の実施形態による発光セラミック層は、従来技術の蛍光体層より頑丈で、温度に対する感受性が低い。さらに、発光セラミックが示す散乱は少ないものであり、よって、従来技術の蛍光体層に比べて変換効率を増大させることができる。【選択図】      図２
2006005367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された発光層を含む半導体発光デバイスと、
波長変換材料を含み、前記発光層によって放出された光の経路内に配置された第１のセラミック層と、
を備えることを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記第１のセラミック層が剛性の蛍光体粒子塊を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記第１のセラミック層が実質的に結合材料を含まないことを特徴とする請求項２に記載の構造体。
【請求項４】
前記蛍光体粒子の表面が柔らかくなり始め、該蛍光体粒子が互いに付着するまで、大気圧より高い圧力で粉末蛍光体粒子を加熱することによって、前記第１のセラミック層が形成されることを特徴とする請求項２に記載の構造体。
【請求項５】
前記第１のセラミック層と前記半導体発光デバイスとの間に配置された接着剤層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項６】
前記接着剤層が、有機接着剤、エポキシ、シリコン、無機接着剤、及びソル・ゲルガラスの１つであることを特徴とする請求項５に記載の構造体。
【請求項７】
前記接着剤層が、Ｓｃｈｏｔｔ  ｇｌａｓｓ  ＳＦ５９、Ｓｃｈｏｔｔ  ｇｌａｓｓ  ＬａＳＦ３、Ｓｃｈｏｔｔ  ｇｌａｓｓ  ＬａＳＦ  Ｎ１８、カルコゲナイド・ガラス、（Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）カルコゲナイド・ガラス、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩＩ−ＶＩ族半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩＶ族半導体、Ｓｉ、Ｇｅ、有機半導体、酸化金属、酸化タングステン、酸化チタニウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化スズインジウム、酸化クロム、フッ化金属、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、金属、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｓｎ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、リン化合物、ヒ素化合物、アンチモン化合物、窒素化合物、及び高屈折率有機化合物の１つであることを特徴とする請求項５に記載の構造体。
【請求項８】
前記第１のセラミック層が実質的に結合材料を含まないことを特徴とする請求項５に記載の構造体。
【請求項９】
前記半導体発光デバイス及び前記第１のセラミック層を、室温より高い温度及び大気圧より高い圧力で一緒に押圧することによって形成される、該半導体発光デバイスと該第１のセラミック層との間の境界面をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１０】
前記第１のセラミック層の表面がレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１１】
前記第１のセラミック層の表面がドームを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１２】
前記第１のセラミック層の表面がフレネルレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１３】
前記第１のセラミック層の表面がフォトニック結晶構造体を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１４】
前記第１のセラミック層の表面がテキスチャ状にされたことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１５】
前記第１のセラミック層が、ドーパントでドープされた蛍光体を含み、ドーパントの濃度に勾配が付けられていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１６】
前記濃度は、前記第１のセラミック層の第１の部分における第１の濃度から、該第１のセラミック層の第２の部分における第２の濃度まで勾配が付けられており、
前記第１の濃度は前記第２の濃度より高く、
前記第１の部分は前記第２の部分より前記半導体発光デバイスに近い、
ことを特徴とする請求項１５に記載の構造体。
【請求項１７】
前記半導体発光デバイスが成長基板を含み、前記第１のセラミック層が前記成長基板に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１８】
前記半導体発光デバイスがホスト基板を含み、前記第１のセラミック層が前記ホスト基板の反対側の該半導体発光デバイスの表面に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１９】
前記発光層によって放出される光の経路内に配置された第２のセラミック層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項２０】
前記第１のセラミック層が第１の波長変換材料を含み、前記第２のセラミック層が第２の波長変換材料を含むことを特徴とする請求項１９に記載の構造体。
【請求項２１】
前記第１のセラミック層が波長変換材料を含み、前記第２のセラミック層は波長変換材料を含まないことを特徴とする請求項１９に記載の構造体。
【請求項２２】
前記第１及び第２のセラミック層のうちの一方の表面の表面積が、光がデバイスから抽出される前記半導体発光デバイスの表面の表面積より大きいことを特徴とする請求項１９に記載の構造体。
【請求項２３】
前記波長変換材料が、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、及び０＜ｂ≦０．１）であるとして、（Ｌｕ1-x-y-a-bＹxＧｄy）3（Ａｌ1-zＧａz）5Ｏ12：ＣｅaＰｒb及びＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項２４】
前記第１のセラミック層と前記半導体発光デバイスの間に配置されたダイクロイックフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換された半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、光スペクトルの特定領域においてピーク波長を有する光を生成できる公知のソリッド・ステート・デバイスである。ＬＥＤは、典型的には、照明器、指示器、及びディスプレイとして用いられる。従来より、大部分の効率的なＬＥＤは、光スペクトルの赤色領域においてピーク波長を有する光すなわち赤色光を放出する。しかしながら、ＵＶからスペクトルの緑色領域までにおいてピーク波長を有する光を効率的に放出できるＩＩＩ族窒化物ＬＥＤが開発された。ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、従来のＬＥＤと比べて著しく明るい出力光をもたらすことができる。
【０００３】
さらに、ＩＩＩ族窒化物デバイスからの光は、通常、赤色光より短い波長を有するので、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤによって生成される光を容易に変換し、より長い波長を有する光を生成することができる。発光／蛍光として周知の方法を用いて、第１のピーク波長（「一次光」）を有する光を、より長いピークの光を有する光（「二次光」）に変換できることが、当業界において公知である。蛍光法は、蛍光体のような波長変換材料によって一次光を吸収し、二次光を放出する蛍光体材料の発光中心を励起するステップを含む。二次光のピーク波長は、蛍光体材料によって決まる。蛍光体材料のタイプを選択し、特定のピーク波長を有する二次光を生成することができる。
【０００４】
図１を参照すると、米国特許第６，３５１，０６９号に記載される従来技術の蛍光体ＬＥＤ１０が示されている。ＬＥＤ１０は、活性化されたときに青色の一次光を生成するＩＩＩ族窒化物ダイ１２を含む。ＩＩＩ族窒化物ダイ１２は、レフレクタカップのリードフレーム１４上に配置され、リード線１６及び１８に電気的に接続される。リード線１６及び１８は、電気出力をＩＩＩ族窒化物ダイ１２に伝える。ＩＩＩ族窒化物ダイ１２は、波長変換材料２２を含む、多くの場合は透明な樹脂である層２０で覆われている。層２０を形成するために用いられる波長変換材料のタイプは、蛍光材料２２によって生成される二次光の所望のスペクトル分布によって変わり得る。ＩＩＩ族窒化物ダイ１２及び蛍光層２０は、レンズ２４によりカプセル封入されている。レンズ２４は、典型的には、透明なエポキシ又はシリコンで作られている。
【０００５】
作動において、電気出力がＩＩＩ族窒化物ダイ１２に供給され、該ダイを活性化させる。活性化されると、ダイ１２は、該ダイの上面から遠ざかるように一次光を放出する。放出された光の一部が、層２０内の波長変換材料２２によって吸収される。次に、波長変換材料２２は、一次光の吸収に応答して、二次光、より長いピーク波長を有する変換された光を放出する。放出された一次光の残りの吸収されていない部分は、二次光と共に、波長変換層を通して伝えられる。レンズ２４は、吸収されていない一次光及び二次光を、出力光として矢印２６で示される一般的方向に向ける。この出力光は、ダイ１２から放出された一次光及び波長変換層２０から放出された二次光からなる複合光である。可視二次光を放出する１つ又はそれ以上の波長変換材料と組み合わせられたＵＶ一次光を放出するダイの場合のように、デバイスから逃げる一次光が非常にわずかであるか又は全くなくなるように、波長変換材料を構成することもできる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは高出力及び高温で作動されるので、層２０内に用いられる有機カプセル材料の透明性が低下する傾向があり、望ましくないことにデバイスの光抽出効率が減少し、場合によっては望ましくないことに該デバイスから放出される光の出現が変わることがある。米国特許第６，６３０，６９１号に記載されるような単結晶発光基板上のＬＥＤデバイスの成長、米国特許第６，６９６，７０３号に記載される薄膜蛍光体層、及び米国特許第６，５７６，４８８号に記載されるような電気泳動析出又は米国特許第６，６５０，０４４号に記載されるようなステンシル印刷によって堆積されるコンフォーマル層のような、幾つかの代替的な構成の波長変換材料が提案された。しかしながら、従来の解決法の１つの主要な欠点は、蛍光体／カプセル材料システムの光の不均一性であり、この光の不均一性が散乱をもたらし、場合によっては変換効率の損失を生じさせる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された発光層を含む半導体発光デバイスが、該発光層によって放出される光の経路内に配置されたセラミック層と組み合わされる。このセラミック層は、蛍光体のような波長変換材料からなるか、又は該波長変換材料を含む。本発明の実施形態による発光セラミック層は、従来技術の蛍光体層より頑丈で、温度に対する感受性が低い。さらに、発光セラミックが示す散乱は少ないものであり、よって、従来技術の蛍光体層に比べて変換効率を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
蛍光体層はどちらかと言えば脆いので、薄膜又はコンフォーマルな蛍光体層を有する上述のデバイスの処理は困難である。本発明の実施形態によると、蛍光体のような波長変換材料が、ここでは「発光セラミック」と呼ばれるセラミック平板内に形成される。セラミック平板は、一般に、半導体デバイスとは別個に形成される自己支持層であり、次に完成した半導体デバイスに取り付けられるか、又は該半導体デバイスの成長基板として用いられる。このセラミック層は半透明又は透明にすることができ、コンフォーマル層のような透明でない波長変換層と関連した散乱損失を減少させることができる。発光セラミック層は、薄膜又はコンフォーマルな蛍光体層よりも頑丈なものにすることができる。さらに、発光セラミック層は中実であるので、同じく中実であるレンズのような付加的な光素子及び二次的光学系に光学的に接触させることが容易である。
【０００９】
発光セラミック層内に形成できる蛍光体の例は、黄緑色の範囲で光を放出する、Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+及びＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+のような、一般式（Ｌｕ1-x-y-a-bＹxＧｄy）3（Ａｌ1-zＧａz）5Ｏ12：ＣｅaＰｒb（ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、及び０＜ｂ≦０．１）、及び赤色の範囲で光を放出する、Ｓｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+のような、一般式（Ｓｒ1-x-yＢａxＣａy）2-zＳｉ5-aＡｌaＮ8-aＯa：Ｅｕz2+（ここで、０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１）を有するアルミニウムガーネット蛍光体を含む。適切なＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+セラミック平板は、米国ノースカロライナ州ＣｈａｒｌｏｔｔｅのＢａｉｋｏｗｓｋｉ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入することができる。例えばＳｒＳｉ2Ｎ2Ｏ2：Ｅｕ2+などの（Ｓｒ1-a-bＣａbＢａc）ＳｉxＮyＯz：Ｅｕa2+（ａ＝０．００２−０．２、ｂ＝０．０−０．２５、ｃ＝０．０−０．２５、ｘ＝１．５−２．５、ｙ＝１．５−２．５、ｚ＝１．５−２．５）、例えばＳｒＧａ2Ｓ4：Ｅｕ2+などの（Ｓｒ1-u-v-xＭｇuＣａyＢａx）（Ｇａ2-y-2ＡｌyＩｎzＳ4）：Ｅｕ2+、Ｓｒ1-xＢａxＳｉＯ4：Ｅｕ2+、例えばＣａＳ：Ｅｕ2+及びＳｒＳ：Ｅｕ2+などの（Ｃａ1-xＳｒx）Ｓ：Ｅｕ2+（ここで、０＜ｘ≦１）を含む、他の緑色、黄色、及び赤色の放出蛍光体も適切なものである。
【００１０】
蛍光体粒子の表面が柔らかくなり始め、溶融するまで、高圧で粉末蛍光体を加熱することによって、発光セラミックを形成することができる。部分的に溶融した粒子は、互いに付着し、剛性の粒子塊を形成する。光の不連続がない単一の大きな蛍光体粒子として動作する薄膜と違って、発光セラミックは、緊密にパックされた個々の蛍光体粒子として動作するので、異なる蛍光体粒子間の境界面においてわずかな光の不連続がある。したがって、発光セラミックは、光学的にほぼ同質であり、該発光セラミックを形成する蛍光体材料と同じ屈折率を有する。樹脂のような透明な材料内に配置されたコンフォーマルな蛍光体層又は蛍光体層と違って、発光セラミックは、一般に、蛍光体自体以外に結合材料（有機樹脂又はエポキシのような）を必要とせず、個々の蛍光体粒子間にスペースも異なる屈折率の材料もほとんどない。その結果、コンフォーマルな蛍光体層と違って、発光セラミックは、透明又は半透明である。
例えば、ウェーハ接合、焼結、エポキシ又はシリコンのような周知の有機接着剤の薄い層による接着、高屈折率の有機接着剤による接着、及びソル・ゲルガラスによる接着によって、発光セラミック層を発光デバイスに取り付けることができる。
【００１１】
高屈折率接着剤の例は、Ｓｃｈｏｔｔ  ｇｌａｓｓ  ＳＦ５９、Ｓｃｈｏｔｔ  ｇｌａｓｓ  ＬａＳＦ３、Ｓｃｈｏｔｔ  ｇｌａｓｓ  ＬａＳＦ  Ｎ１８、及びこれらの混合物のような、高屈折率の光学ガラスを含む。これらのガラスは、米国ペンシルベニア州ＤｕｒｙｅａのＳｃｈｏｔｔ  Ｇｌａｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社から入手可能である。他の高屈折率接着剤の例は、（Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）カルコゲナイド・ガラスのような高屈折率カルコゲナイド・ガラス、これらに限られるものではないが、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、及びＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、これらに限られるものではないが、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、及びＣｄＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体、これらに限られるものではないが、Ｓｉ及びＧｅなどのＩＶ族半導体及び化合物、有機半導体、これらに限られるものではないが、酸化タングステン、酸化チタニウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化スズインジウム、及び酸化クロムなどの金属酸化物、これらに限られるものではないが、フッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムのようなフッ化金属、これらに限られるものではないが、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、及びＳｎなどの金属、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、リン化合物、ヒ素化合物、アンチモン化合物、窒素化合物、高屈折率有機化合物、及びこれらの混合物又は合金を含む。高屈折率の有機接着剤による接着は、２０００年９月１２日に出願された特許出願番号第０９／６６０，３１７号及び２００１年６月１２日に出願された特許出願番号第０９／８８０，２０４号に詳細に説明されており、これらの特許の両方を引用によりここに組み入れる。
【００１２】
ソル・ゲルガラスによる接着は、引用によりここに組み入れられる米国特許第６，６４２，６１８号に詳細に説明されている。発光セラミックがソル・ゲルガラスによってデバイスに取り付けられる実施形態において、ガラスの屈折率を該発光セラミック及び該発光デバイスの屈折率とより密接に合致させるために、チタニウム、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のような１つ又はそれ以上の材料をＳｉＯ2ソル・ゲルガラス内に含ませ、該ガラスの屈折率を増大させることができる。例えば、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+セラミック層は、約１．７５から１．８までの間の屈折率を有することができ、サファイア基板が約１．８の屈折率を有する半導体発光デバイスのサファイア成長基板に取り付けることができる。接着剤の屈折率をＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+セラミック層及びサファイア成長基板の屈折率に合致させることが望ましい。
【００１３】
幾つかの実施形態において、発光セラミックは、半導体発光デバイスのための成長基板として働く。このことは、格子不整合基板（例えば、サファイア又はＳｉＣ）上に成長され得る、ＩｎＧａＮのようなＩＩＩ族窒化物発光層の場合に特にもっともらしく思われ、高い転位密度をもたらすものの、ＬＥＤにおいて依然として高い外部量子効率を示す。このように、同様の方法で、半導体発光デバイスを発光セラミック上で成長させることができる。例えば、有機金属化学気相エピタキシ又は別のエピタキシャル技術を用いて、ＩＩＩ族窒化物核生成層が、典型的には低温（〜５５０℃）で、発光セラミック基板上に直接堆積される。次に、ＧａＮの厚い層（「バッファ」層）が、典型的には高温で、ＩＩＩ族窒化物核生成層上に堆積され、単結晶膜内に合体される。バッファ層の厚さを増すことは、全体の転位密度を減少させ、層の品質を改善する。最終的には、ｎ型及びｐ型層が堆積され、それらの間に発光ＩＩＩ族窒化物活性層が含まれる。ＩＩＩ族窒化物成長環境（例えば、１０００℃より高い温度及びＮＨ3環境）に耐える能力が、成長基板としての発光セラミックの選択を左右する。セラミックは多結晶であり、結果として生じるＩＩＩ族窒化物層は単結晶でなければならないので、特別の付加的な成長考慮事項を適用することができる。例えば、上述の状況の場合は、多数の低温中間層をＧａＮバッファ層内に挿入して、ＧａＮ成長を「リセット」し、セラミック粒子の配向効果がＩＩＩ族窒化物デバイス層内に伝搬するのを回避することが必要である。格子不整合基板上に成長させるためのこれら及び他の技術は、当業界において周知である。適切な成長技術は、例えば、本出願の譲受人に譲渡され、引用によりここに組み入れられるＧｏｅｔｚ他に付与された米国特許第６，６３０，６９２号に説明されている。
【００１４】
以下の例は、ＩＩＩ族窒化物発光ダイオードに言及するが、本発明の実施形態は、ＩＩＩ族リン化物、ＩＩＩ族ヒ化物のような他の材料系のデバイス、及び共振空洞ＬＥＤ、レーザ・ダイオード、及び垂直共振器面発光レーザのような他の構造体を含む発光デバイスに適用することができる。
図２及び図３は、発光セラミック層を含むＩＩＩ族窒化物デバイスを示す。図２のデバイスにおいて、ｎ型領域４２が、適切な成長基板４０上に成長され、その後に活性領域４３及びｐ型領域４４が続く。成長基板４０は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は他の何らかの適切な成長基板とすることができる。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むことができる。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に最適化されたクラッド層とを含むことができる。活性領域４３は、単一の発光層を含むことができ、或いは障壁層によって分離される多数の量子井戸発光層を含むことができる。
【００１５】
図２に示されるデバイスにおいて、ｐ型領域４４及び活性領域４３の一部が、エッチングにより除去され、ｎ型領域４２の一部が露わになる。ｐコンタクト４５が、ｐ型領域４４の残りの部分上に形成され、ｎコンタクト４６が、ｎ型領域４２の露出された部分上に形成される。図２に示される実施形態において、コンタクト４５及び４６は反射性であり、光は基板４０の裏面を通してデバイスから抽出される。代替的に、コンタクト４５及び４６は、透明にすることができ、又はｐ型領域４４の表面の大部分とｎ型領域４２がコンタクトで覆われないままにして形成することもできる。こうしたデバイスにおいて、光は、コンタクト４５及び４６が形成される、エピタキシャル構造体の上面を通してデバイスから抽出される。
【００１６】
図３に示されるデバイスにおいて、エピタキシャル層が、ｐコンタクト４５を通してホスト基板４９に接合される。接合を容易にする付加的な層（図示せず）をｐ型領域４４とホスト４９との間に含ませることができる。エピタキシャル層がホスト４９に接合された後、成長基板を取り除き、ｎ型領域４２の表面を露出させることができる。活性領域のｐ側への接触が、ホスト４９を通して与えられる。ｎコンタクト４６は、ｎ型領域４２の露出された表面の一部上に形成される。ｎ型領域４２の上面を通して、光がデバイスから抽出される。成長基板の除去は、本発明の譲渡人に譲渡され、引用によりここに組み入れられる、２００４年３月１９日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の米国特許出願番号第１０／８０４，８１０号に詳細に説明されている。
【００１７】
図２及び図３に示されるデバイスにおいて、上述のセラミック層のような発光セラミック層５０が、光が抽出されるデバイスの表面、すなわち図２の基板４０の後部及び図３のｎ型領域４２の上部に取り付けられる。セラミック層５０は、光がデバイスから抽出されるいずれかの表面上に形成するか又は取り付けることができる。例えば、セラミック層５０は、図２に示されるデバイスの両側上に適用することができる。図３は、活性領域４３からの光がセラミック層５０内に通ることを可能にするが、セラミック層５０によって放出される光を反射し、セラミック層５０によって放出される光がデバイス５２に入るのを阻止する任意のフィルタ３０を示し、ここで、光が吸収され、失われる。適切なフィルタの例は、リヒテンシュタイン国のＵｎａｘｉｓ  Ｂａｌｚｅｒｓ  Ｌｔｄ．社、又は米国カリフォルニア州Ｓａｎｔａ  ＲｏｓａのＯｐｔｉｃａｌ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｉｎｃ．社から入手可能なダイクロイックフィルタを含む。
【００１８】
発光セラミック層５０は、単一の蛍光体又は互いに混合された多数の蛍光体を含むことができる。幾つかの実施形態において、セラミック層内の活性ドーパントの量に勾配が付けられる。図４は、発光セラミック層内の勾配が付けられたドーピング・プロファイルの例を示す。図４の点線は、デバイスの表面を表す。デバイス表面に最も近いセラミック層の部分が、最も高いドーパント濃度を有する。デバイス表面からの距離が増大するにつれて、蛍光体内のドーパント濃度は減少する。一定のドーパント濃度の領域を有する線形ドーパント・プロファイルが図４に示されるが、勾配プロファイルは、例えば、階段状に勾配が付けられたプロファイル又は指数法則プロファイルを含む如何なる形状を取ることもでき、多数の一定のドーパント濃度領域を含んでもよく、或いは一定のドーパント濃度領域を含まなくてもよいことを理解すべきである。さらに、幾つかの実施形態において、勾配プロファイルを逆にすることも有利であり、デバイス表面に最も近い領域が、低いドーパント濃度を有し、このドーパント濃度は、該デバイス表面からの距離が増大するにつれて増加する。幾つかの実施形態において、デバイス表面から最も遠いセラミック層の部分は、如何なる蛍光体も如何なるドーパントも含まなくてもよく、（以下に示されるように）光抽出のために形成することができる。
【００１９】
幾つかの実施形態において、図５に示されるデバイスにおけるように、デバイスは、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及び図３に示されるデバイスのいずれかとすることができるデバイス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。幾つかの実施形態において、２つのセラミック層５０ａ及び５０ｂの一方が、デバイスに用いられる波長変換材料の全てを含み、２つのセラミック層の他方は透明であり、それがデバイス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、或いはそれが該デバイス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。幾つかの実施形態において、セラミック層５０ａ及び５０ｂの各々が、異なる蛍光体を含むことができる。２つのセラミック層が図５に示されるが、２つより多いセラミック層及び／又は２つより多い蛍光体を含むデバイスが本発明の範囲内にあることを理解すべきである。引用によりここに組み入れられる、２００４年２月２３日に出願された米国特許出願番号第１０／７８５，６１６号に記載されるように、セラミック層５０ａ及び５０ｂ内の異なる蛍光体の構成並びにセラミック層５０ａ及び５０ｂ自体は、デバイス内の多数の蛍光体間の相互作用を制御するように選択することができる。図５において、セラミック層５０ａ及び５０ｂはデバイス上に積み重ねられたものとして示されるが、他の構成も可能であり、本発明の範囲内である。幾つかの実施形態において、１つ又はそれ以上のセラミック層を含むデバイスは、図１に示される波長変換材料、或いは背景技術部分に記載された薄膜、コンフォーマル層、及び発光基板のような他の波長変換層と組み合わせることができる。
【００２０】
発光セラミック層の利点は、該セラミック層を成形し、粉砕し、機械加工し、熱間スタンプし、又は研磨して、例えば、光抽出を増大させるのに望ましい形状にする能力である。発光セラミック層は、一般に、例えば、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+セラミック層の場合には、１．７５から１．８までの高屈折率を有する。高屈折率のセラミック層と低屈折率の空気との間の境界面における内部反射全体を回避するために、セラミック層を図６及び図７に示されるように形成することができる。図６に示されるデバイスにおいて、発光セラミック層５４は、ドーム状レンズのようなレンズに形成される。図７に示されるように、セラミック層の上部を、ランダムに又は例えばフレネルレンズ形状のようにテキスチャ状にすることによって、デバイスからの光抽出をさらに改善することができる。幾つかの実施形態において、セラミック層の上部は、セラミック内に形成された正孔の格子のようなフォトニック結晶構造体を有するようにテキスチャ状にすることができる。図６及び図７に示されるように、形成されたセラミック層は、該セラミック層が取り付けられるデバイス５２の面より小さいか又は該デバイス５２の面と同じサイズにすることができ、或いは該セラミック層が取り付けられる該デバイス５２の面より大きくすることができる。図７のようなデバイスにおいては、セラミック層が取り付けられるデバイス５２の面の長さの少なくとも二倍の底部長を有する形成されたセラミック層について、好ましい光抽出が期待される。幾つかの実施形態において、波長変換材料は、デバイス５２に最も近いセラミック層の一部に閉じ込められる。他の実施形態においては、図７に示されるように、波長変換材料は、第１のセラミック層５０ａ内に与えられ、次に第２の形成された透明なセラミック層５０ｂに取り付けられる。
【００２１】
幾つかの実施形態において、上部セラミック層の表面が粗くされ、例えば、発光デバイスからの光及び１つ又はそれ以上の波長変換層が混合して白色光を生成するデバイスにおいて、光を混合するのに必要な散乱を増大させる。他の実施形態においては、当業界において周知のように、十分な混合は、レンズ又は光ガイドのような二次的光学系によって達成することができる。
【００２２】
発光セラミック層の更に別の利点は、セラミックの好ましい熱的性質である。発光セラミック層及び熱抽出構造体を含むデバイスが、図８に示される。図７におけるように、図８は、光抽出のために形成された透明な又は発光性のセラミック層５０ｂを含む。任意の付加的な透明な又は発光性のセラミック層５０ａが、層５０ｂとデバイス５２との間に配置される。デバイス５２は、例えば、図２に示されるようなフリップチップとして、サブマウント５８上にマウントされる。サブマウント５８及び図３のホスト基板４９は、例えば、Ｃｕ箔、Ｍｏ、Ｃｕ／Ｍｏ、及びＣｕ／Ｗのような金属、例えば、Ｐｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇの１つ又はそれ以上を含む、オーム接触を有するＳｉ及びオーム接触を有するＧａＡｓのような金属接触部をもつ半導体、並びに圧縮ダイアモンドのようなセラミックとすることができる。層５６は、セラミック層５０ｂをサブマウント５８に接続する熱伝導性材料であり、場合によっては発光セラミック層５０ａ及び／又は５０ｂの温度を下げ、これにより光出力が増大される。層５６に適した材料は、上述のサブマウント材料を含む。図８に示される構成は、ＳｉＣのような導電性基板を有するフリップチップ型デバイスから熱を抽出するのに特に有用である。
【実施例】
【００２３】
サファイア基板に拡散接合された、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネットのセラミック平板の例が以下に与えられる。
拡散接合されたＹＡＧサファイア複合体は、その高い機械的強度及び優れた光学的品質のために有利なものである。イットリアと組成範囲Ａｌ2Ｏ3及び３Ｙ2Ｏ3  ５Ａｌ2Ｏ3内の酸化アルミニウムの状態図によると、３３％Ａｌを有する共晶を除いて、他の状態は存在しない。したがって、焼結接合されたＹＡＧサファイア複合体は、ＹＡＧセラミック（ｎi＝１．８４）とサファイア基板（ｎi＝１．７６）との間の（共晶）境界面において平均屈折率を有し、よって高品質の光接触を得ることができる。さらに、ＹＡＧ及びサファイアの類似した膨張率のために（ＹＡＧ：６．９×１０-6Ｋ-1、Ａｌ2Ｏ3：８．６×１０-6Ｋ-1）、機械的応力の低い焼結接合されたウェーハを生成することができる。
【００２４】
拡散接合されたＹＡＧ：Ｃｅセラミック・サファイア・ウェーハを以下のように形成することができる。
ａ）ＹＡＧ：Ｃｅセラミックの生成：４０ｇのＹ2Ｏ3（９９．９９８％）、３２ｇのＡｌ2Ｏ3（９９．９９９％）、及び３．４４ｇのＣｅＯ2が、１２時間、ローラベンチのイソプロパノールにおいて、１．５ｋｇの高純度酸化アルミニウム・ボール（２ｍｍの直径）によりミル加工される。次に、乾燥した前駆粉末が、ＣＯ雰囲気の下で、２時間１３００℃で焼成される。次に、得られたＹＡＧ粉末が、エタノールの下でプラネットボールミル（瑪瑙ボール）を用いて解凝集される。次に、セラミック・スラリーがスリップ鋳造され、乾燥後にセラミック素地を得る。次に、この素地は２時間１７００℃で黒鉛板の間で焼結される。
ｂ）サファイア・ウェーハ及びＹＡＧ：Ｃｅセラミックの拡散接合：粉砕され、研磨されたサファイア及びＹＡＧウェーハが、一軸の加熱加圧成形装置（ＨＵＰ）内で拡散接合される。このために、サファイア及びＹＡＧウェーハは、タングステン箔（０．５ｍｍの厚さ）の間に積み重ねられ、黒鉛の加圧成形ダイ内に配置される。処理速度を上げるために、幾つかのサファイア／ＹＡＧ：Ｃｅセラミック／タングステン箔のスタックを同時に積み重ね、処理することができる。
【００２５】
ＨＵＰ装置をからにした後、まず、外部圧力を加えずに、温度が４時間以内に１７００℃まで上げられる。次に、３００バールの一軸圧力が加えられ、２時間一定に保持される。滞留時間後、圧力を一定に維持することによって、温度が２時間以内に１３００℃まで下げられる。最後に、圧力を解除した後、システムは６時間以内に室温まで冷却される。
ｃ）焼結接合されたサファイア・ＹＡＧ：Ｃｅウェーハの処理後：焼結接合されたウェーハの表面を粉砕し、研磨した後、サンプルが、空気中で１３００℃まで２時間アニール処理され（加熱速度：３００Ｋ／ｈｒ）、次に１２時間以内に室温まで冷却される。
本発明を詳細に説明したが、当業者であれば、本開示が与えられた場合に、ここに説明された本発明の概念の精神から逸脱することなく、本発明に修正をなし得ることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術の蛍光体・変換された半導体発光デバイスを示す。
【図２】セラミック蛍光体層を含むフリップチップ型半導体発光デバイスを示す。
【図３】接合されたホスト基板及びセラミック蛍光体層を含む半導体発光デバイスを示す。
【図４】セラミック蛍光体層のドーピング・プロファイルの例を示す。
【図５】多数のセラミック層を含む半導体発光デバイスを示す。
【図６】形成されたセラミック蛍光体層を含む半導体発光デバイスを示す。
【図７】デバイス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デバイスを示す。
【図８】セラミック蛍光体層及び熱抽出構造体を含む半導体発光デバイスを示す。
【符号の説明】
【００２７】
４０：基板
４２：ｎ型領域
４３：活性領域
４４：ｐ型領域
４５：ｐコンタクト
４６：ｎコンタクト
４９：ホスト基板
５０、５０ａ、５０ｂ：セラミック層
５２：デバイス
５８：サブマウント
【図１】
2006005367.tif 000003
【図２】
2006005367.tif 000004
【図３】
2006005367.tif 000005
【図４】
2006005367.tif 000006
【図５】
2006005367.tif 000007
【図６】
2006005367.tif 000008
【図７】
2006005367.tif 000009
【図８】
2006005367.tif 000010
【外国語明細書】
2006005367.tif 000011
2006005367.tif 000012
2006005367.tif 000013
2006005367.tif 000014
2006005367.tif 000015
2006005367.tif 000016
2006005367.tif 000017
2006005367.tif 000018
2006005367.tif 000019
2006005367.tif 000020
2006005367.tif 000021
2006005367.tif 000022
2006005367.tif 000023
2006005367.tif 000024
2006005367.tif 000025
2006005367.tif 000026
2006005367.tif 000027
2006005367.tif 000028
2006005367.tif 000029
2006005367.tif 000030