(57)【要約】  改善されたＬＥＤ装置が開示され、かつこの装置には、エネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、活性層を支持するように構成された基板と、基板の表面に施されたアルミナおよび炭化ケイ素の交互層で形成された少なくとも１つのコーティング層であって、このコーティングが、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、コーティング層に施された少なくとも１つの金属層であって、それを通して、第２の波長領域における第２の電磁信号を透過させるように構成された金属層と、活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、が含まれる。
2013516761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改善されたＬＥＤ装置であって、
基板と、
前記基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、アルミナおよび炭化ケイ素の交互薄膜層で形成され、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、
前記基板上に配置され、かつエネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、前記第１の波長領域内の前記第１の電磁信号、および少なくとも前記第２の波長領域内の少なくとも前記第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、
前記活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、
を含む装置。
【請求項２】
前記基板が炭化ケイ素を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記基板がサファイアを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の波長領域が、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍである、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の波長が約５００ｎｍより大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記活性層が多重量子井戸デバイスを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記活性層と前記基板との間に配置された第１のコーティング層と、前記活性層を施した表面と反対の表面に配置された少なくとも第２のコーティング層と、をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記カプセル化デバイスが、その中に少なくとも１つのドーパントを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ドーパントが、前記第１の波長領域内の前記第１の電磁信号で照らされた場合に蛍光発光するように構成される、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ドーパントが蛍光体を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記コーティング層に施された金属層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記金属層がアルミニウムを含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記金属層が銅を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
改善されたＬＥＤ装置であって、
基板と、
前記基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、アルミナおよび炭化ケイ素の交互薄膜層で形成され、約０度〜約９０度の全ての角度において、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、
前記コーティング層に施された少なくとも１つの金属層と、
前記基板上に配置され、かつエネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、前記第１の波長領域内の前記第１の電磁信号、および少なくとも前記第２の波長領域内の少なくとも前記第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、
前記活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、
を含む装置。
【請求項１５】
前記基板が炭化ケイ素を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記基板がサファイアを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の波長領域が、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の波長が約５００ｎｍより大きい、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記活性層が多重量子井戸デバイスを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記活性層と前記基板との間に配置された第１のコーティング層と、前記活性層を施した表面の反対の表面に配置された第２のコーティング層と、をさらに含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記カプセル化デバイスが、その中に少なくとも１つのドーパントを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
前記ドーパントが、前記第１の波長領域内の前記第１の電磁気信号で照らされた場合に蛍光発光するように構成される、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ドーパントが蛍光体を含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記金属層がアルミニウムを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項２５】
前記金属層が銅を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項２６】
ＬＥＤ装置の製造方法であって、
アルミナおよび炭化ケイ素の交互層で形成された少なくとも１つのコーティング層を基板に施すことであって、前記コーティングが、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を前記基板の表面へ透過させるように構成されることと、
電荷にさらされた場合に、前記第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも前記第２の波長領域内の少なくとも前記第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を前記基板上に成長させることと、
少なくとも前記活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、
を含む方法。
【請求項２７】
前記コーティング層で前記基板にプレストレスを与えて、前記エピタキシャル層を施すことによるストレスを補償することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
金属層を前記コーティング層に施すことをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＬＥＤ装置を材料基板に貼り付けるために、熱ペーストを前記コーティング層に施すことをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
ＬＥＤ装置の製造方法であって、
炭化ケイ素基板を設けることと、
電荷にさらされた場合に、第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を前記基板上に成長させることと、
アルミナおよび炭化ケイ素の交互層で形成された少なくとも１つのコーティング層を基板に施すことであって、前記コーティングが、前記第１の波長領域における前記第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ前記第２の波長領域における前記第２の電磁信号の少なくとも９５％を前記基板の表面へ透過させるように構成されることと、
少なくとも前記活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、
を含む方法。
【請求項３１】
前記コーティング層で前記基板にストレスを与えて、前記エピタキシャル層を施すことによるストレスを補償することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
金属層を前記コーティング層に施すことをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記ＬＥＤ装置を材料基板に貼り付けるために、熱ペーストを前記コーティング層に施すことをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発光ダイオード（以下ではＬＥＤ）は、ＵＶ、可視および赤外線波長における比較的強力な発光出力を有する電子光源である。現在、これらの装置には、白熱光源などの従来の照明方法に勝る多くの利点が存在する。ＬＥＤ装置の例示的な利点には、エネルギ消費の低下、寿命の延長、ロバスト性の改善、小型化、およびより迅速なスイッチングが含まれる。赤色、緑色および青色ＬＥＤが、長年にわたって普及し、現在では、展示照明、生物医学蛍光装置、および広範囲な商業用途を含む多数の用途で用いられている。最近、新しい高出力白色ＬＥＤの使用が、著しく伸びた。これらの白色光ＬＥＤ用の一般的な用途には、建築用途、自動車用途、および他の照明用途が含まれる。他の照明光源と競合できるように、白色光ＬＥＤは、最適な効率を達成しなければならない。理想的には、高出力ＬＥＤ（以下ではＨＰＬＥＤ）製造業者は、約１５０Ｌ／Ｗ以上の効率を有する白色光ＬＥＤを提供することを望んでいる。
【０００２】
白色ＬＥＤは、一般に、青色ＬＥＤの構造を変更することによって作製される。青色ＬＥＤは、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）などの広バンドギャップ半導体エピタキシャル材料から製造される。蛍光発光を用いることによって、ＬＥＤの青色スペクトル出力は、カプセル材料への青色光子の吸収により白色光に変換され、続いて、カプセル材料が、白色を蛍光発光する。図１〜３は、典型的な白色光ＬＥＤの断面図を示す。図示のように、ＬＥＤ装置１には、基板５上に配置された少なくとも１つの発光活性層３が含まれる。例示的な基板には、典型的に、シリカ基板およびサファイア基板と同様に他の材料が含まれる。反射金属層７が、基板５の表面に施される。さらに、ドープされたカプセル化デバイス９が、この構造に施され、それによって、発光活性層３を構造内に密閉する。典型的なドーピング材料には、特定の波長で照らされた場合に白色光を発生するために蛍光発光するように構成された蛍光体および他の材料が含まれる。例えば、蛍光体は、約４５０ｎｍの波長を有する光１１で照らされた場合に蛍光発光するように構成してもよい。
【０００３】
図２に示すように、ＬＥＤ装置１の青色スペクトル出力は、多方向である。結果として蛍光発光をもたらすことができる波長を有するある電磁放射線１１ａが、ドープされたカプセル化デバイス９へ直接放射され、それによって、ドーピング材料に、一般に白色光を蛍光発光させる。さらに、発光活性層３の多方向出力ゆえに、後方放射光１１ｂは、基板５に施された金属層７によって反射されて、カプセル化デバイス９に向かう。この反射出力１３ｂもまた、カプセル化デバイス９のドーピング材料を蛍光発光させることに帰着する。金属層７は、ＬＥＤ装置１の出力を増加させることに多少役立つが、多くの欠点が確認された。例えば、金属層７は、カプセル化デバイス９におけるドーピング材料を蛍光発光させることができる入射光の約８５％〜９０％を反射し得る。そのようなものとして、これらのＬＥＤ装置１の効率（例えばＬ／Ｗ）は、最適ではない。理想的には、金属層７は、ドーピング材料の蛍光発光を達成する波長において１００％に迫る反射率を有することになろうが、これは、今まで達成不可能だった。上記のように、現在利用可能な装置には、入射光の約８５％〜約９０％を反射できるアルミニウム層７が含まれる。さらに、図２に示すように、後方放射光１１ｃのいくらかは、様々な角度で反射アルミニウム層７に入射する可能性がある。理想的には、反射層７は、全ての可能な入射角度において、後方放射光１１ｃのほぼ１００％を反射し、それによって、反射された、角度のある後方放射光１３ｃをカプセル化デバイス９に向け、かつ装置効率を向上させることができることになろう。残念にも、現在の技術の金属反射層７は、かかる極端な角度において追加的な反射損失をこうむり、さらに弱いＬＥＤ光出力に帰着する。
【０００４】
後方放射光を反射することに加えて、金属反射材料７はまた、装置の熱特性を向上させるためにヒートシンクとして動作してもよい。この目的のために、ＬＥＤ装置を形成するＬＥＤサブコンポーネントは、使用中に発生された熱を、ＬＥＤ装置を支持するヒートシンクまたは材料基板に伝導するように構成された熱特性を有する材料から製造してもよい。例えば、反射材料７は、銅、銀またはアルミニウムを含んでもよく、かつ基板５から取り付け構造（図示せず）への効率的な熱伝達を可能にするように構成してもよい。例えば、図３に示すように、望ましくない赤外線１５は、電荷が発光活性層３に印加された場合に、発光活性層３によって発生される可能性がある。一実施形態において、基板５は、それを通して熱を放散するように構成される。かかるものとして、基板５は、ヒートシンクを形成してもよい。さらに、基板５に施された反射層７もまた、それを通して熱を伝達するように構成してもよい。しかしながら、少なくともいくらかの赤外線１５は、反射材料７によって、または基板−反射材料界面において反射される可能性がある。例えば、いくつかの用途において、赤外線１５の約２０％は、反射層７または基板−反射層界面によって発光活性層３へ反射される可能性がある。この反射赤外線１７は、結果としてＬＥＤ装置１の性能劣化をもたらす可能性がある。深刻な場合には、反射赤外線１７は、過度の加熱ゆえに、ＬＥＤ装置１の壊滅的な障害をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、上記のことに鑑み、現在利用可能であるよりも高い効率を提供する高出力ＬＥＤ装置の現在進行中の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願は、改善されたＬＥＤ装置アーキテクチャの様々な実施形態およびその様々な製造方法を開示した。先行技術装置と異なり、本明細書で開示する装置アーキテクチャには、装置の効率および輝度を改善するように構成され、基板に施された少なくとも１つのコーティング層が含まれる。
【０００７】
一実施形態において、本出願は、改善されたＬＥＤ装置を開示し、かつ活性層を支持するように構成された基板と、基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、炭化ケイ素およびアルミナの交互薄膜層で形成され、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、基板上に配置され、かつエネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、を含む。
【０００８】
別の実施形態において、本出願は、改善されたＬＥＤ装置を開示し、かつ活性層を支持するように構成された基板と、基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、炭化ケイ素およびアルミナの交互薄膜層で形成され、約０度〜約９０度の全ての角度において、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、コーティング層に施された少なくとも１つの金属層と、基板上に配置され、かつエネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、を含む。
【０００９】
本出願はまた、ＬＥＤ装置の様々な製造方法を開示した。一実施形態において、本出願は、ＬＥＤ装置の製造方法を開示するが、この方法には、炭化ケイ素およびアルミナの交互層で形成された少なくとも１つのコーティング層を基板に施すことであって、このコーティングが、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を基板の表面へ透過させるように構成されることと、電荷にさらされた場合に、第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を基板上に成長させることと、少なくとも活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、が含まれる。
【００１０】
別の実施形態において、本出願は、ＬＥＤ装置の製造方法を開示し、かつ炭化ケイ素基板を設けることと、電荷にさらされた場合に、第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を基板上に成長させることと、炭化ケイ素およびアルミナの交互層で形成された少なくとも１つのコーティング層を基板に施すことであって、このコーティングが、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を基板の表面へ透過させるように構成されることと、少なくとも活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、を含む。
【００１１】
本明細書で開示するような改善されたＬＥＤ装置アーキテクチャの実施形態における他の特徴および利点は、以下の詳細な説明の考察から明らかになろう。
【００１２】
様々な改善された性能のＬＥＤ装置アーキテクチャを、添付の図面を介して、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】先行技術ＬＥＤ装置における実施形態の断面図を示す。
【図２】第１の波長領域内の電磁放射線の一部が金属層によって反射され得る、使用中の先行技術ＬＥＤ装置における実施形態の断面図を示す。
【図３】第２の波長内の電磁放射線の一部の、使用中の先行技術ＬＥＤ装置における実施形態の断面図である。
【図４】基板の表面にコーティング層を施した新規なＬＥＤ装置アーキテクチャの実施形態であって、コーティング層が、第１の波長領域内の第１の電磁放射線の反射率を改善するように構成された実施形態の断面図を示す。
【図５】ＴｉＯ2−ＳｉＯ2コーティング層を有する新規なＬＥＤ装置アーキテクチャの反射性能と比較して、ＳｉＣ−Ａｌ2Ｏ3コーティング層を有する新規なＬＥＤ装置アーキテクチャの反射性能をグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図４は、高出力ＬＥＤ装置の実施形態の断面図を示す。図示のように、改善されたＬＥＤ装置２０には、少なくとも１つの基板２４上にまたはそれに隣接して配置された少なくとも１つの活性層２２が含まれる。一実施形態において、活性層２２には、発光活性層が含まれる。任意選択で、単一の発光活性層２２を基板２４上に配置してもよい。任意選択で、任意の数の活性層２２を基板２４上に配置してもよい。かかるものとして、活性層２２には、多重量子井戸デバイスまたは構造を含んでもよい。活性層２２が、少なくとも１つのエネルギ源と通じていてもよく、したがって少なくとも１つの電気信号を活性層２２に供給するように構成された少なくとも１つの電気接続装置（図示せず）を含んでもよいことに留意されたい。さらに、一実施形態において、基板２４には、炭化ケイ素基板が含まれる。任意選択で、任意の様々な材料を用いて基板２４を形成してもよい。例示的な基板材料には、限定するわけではないが、シリカ、サファイア、様々な複合材料などが含まれる。さらに、基板２４は、それをほぼ全ての電磁放射線が透過するように構成してもよい。
【００１５】
先行技術装置のような図４を再び参照すると、本ＬＥＤ装置２０には、そこに施された金属層２８が含まれる。任意選択で、ＬＥＤ装置２０は、金属層２８なしに製造してもよい。かかるものとして、ＬＥＤ装置２０には、ＬＥＤ装置２０を材料基板（図示せず）に結合するように構成された熱ペーストまたは同様の結合剤を含んでもよい。例示的な材料基板には、限定するわけではないが、ヒートシンク、プリント回路基板等が含まれる。先行技術装置と同様に、金属層２８または熱ペーストは、存在する場合には、活性層２２に隣接して配置された、少なくとも１つのドープされたカプセル化デバイス３０へ後方放射電磁放射線を反射し、一方でＬＥＤ装置２０からの効果的な熱除去を支援するように構成される。しかしながら、先行技術装置と異なり、本出願で開示する改善されたＬＥＤ装置２０には、基板２４の表面に施された少なくとも１つのコーティング層２６が含まれる。本出願で開示する改善されたＬＥＤ装置２０上へのコーティング層２６の包含は、全ての可能な入射角度０度〜９０度において、基板２４内のほぼ全ての光の最適な光反射率を達成し、それによって、ＬＥＤ装置２０の出力を向上させるように構成される。
【００１６】
任意選択で、コーティング層２６は、基板２４の任意の表面に施してもよい。例えば、図５は、コーティング層２６を活性層２２に隣接して配置したＬＥＤ構成を示す。任意選択で、第１のコーティング層２６を活性層２２に隣接して配置し、かつ第２のコーティング層２６を基板２４および金属層２８に隣接して配置したＬＥＤ構成とすることができる。図５を参照すると、コーティング層２６を活性層２２に隣接して配置することによって、内部基板の光散乱および光パイピングによる光損失（ＬＥＤチップエッジを介した損失）を除去することによりＬＥＤ照明を向上させることが可能になる。その結果、本実施形態は、活性層２２によって発生された所望のＵＶまたは可視光を、活性層２２を通して効率的に放射し、一方でより長い波長の有害な赤外線を、基板２４に反射させて、金属層２８および／またはそれに結合されたヒートシンクを介して最終的には除去されるようにすることによって、先行技術装置に勝る性能の改善をもたらす。一実施形態において、コーティング層２６を施すためのこの方法によって、ほぼ水分を吸収しない、安定し、硬質で、高密度で、無孔の非晶質コーティングが生成されるが、このコーティングは、別の方法では、装置品質、寿命および性能に関して妥協することになる可能性がある。
【００１７】
再び図４を参照すると、コーティング層２６は、高い屈折率（以下では「高屈折率」）を有する材料、および低い屈折率（以下では「低屈折率」）を有する材料の交互層で構成してもよい。一実施形態において、コーティング層２６は、２つの高熱伝導性材料、すなわちアルミナ（サファイア）および炭化ケイ素の新規な組み合わせからなる。使用中に多層光学コーティングをさらすことが可能な最高温度は、用いられる光学コーティング材料の熱膨張係数および収縮率における差によって制限される可能性がある（表１）。大きな差は、最高暴露温度の低減をもたらす可能性がある。典型的な耐熱金属酸化物に基づいた光学コーティング（石英および二酸化チタンなど）に関して、それらの熱膨張係数の比率は大きい（１５：１）。高温（例えば６００℃超）において、これらの材料は、異なって膨張および収縮し、恐らくコーティング破損につながる可能性がある。対照的に、炭化ケイ素およびアルミナの薄膜の使用は、それらのほぼ等しい熱膨張係数ゆえに、損傷なしに１０００℃以上の極端な温度にさらすことが可能である。さらに、基板、炭化ケイ素およびアルミナ間の熱膨張係数がほぼ等しいので、バージン基板（例えばサファイアまたは炭化ケイ素）は、エピタキシーが行われる前に、交互する炭化ケイ素／アルミナコーティング層で予めコーティングしてもよい。このオプションによって、限定するわけではないが、歪んだ基板のストレスバランス（平坦化）およびリスクの低減を含む、ＬＥＤ製造中の著しい利点が提供される（このコーティングを研磨することおよびプロセスを繰り返すことによって、高価なエピタキシャル層に損傷を与えるリスクなしに、どんな誤差も修復することができる）。
【００１８】
コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも９０％を反射するように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９５％を反射するように構成してもよい。さらに別の実施形態において、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９８％を反射するように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９９％を反射するように構成してもよい。かかるものとして、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての入射角度において、任意の所望の波長帯域の反射を最適化するように構成してもよい。当業者は、コーティング層２６が、任意の様々な所望の波長領域内で、約０度〜約９０度の全ての角度において、電磁放射線の少なくとも約９５％を選択的に反射するように構成可能であることを理解されよう。
【００１９】
反射アルミニウム層２８の反射率を向上させることに加えて、いくつかの実施形態において、ＬＥＤ装置２０からの熱抽出を最大限にし、それによって、熱関連障害の可能性を低減することが望ましいであろう。かかる改善された熱管理はまた、ＬＥＤ装置２０に印加できる電力量の増加を可能にし、輝度のさらなる増加につながる。使用中に活性層２２によって発生された熱は、基板２４を通って最終的には金属層２８により吸収および放散されるように導いてもよい。上記のように、コーティング層２６には、低屈折率材料および高屈折率材料の交互薄膜を含んでもよい。かかる薄膜は、それぞれ、約５ｎｍ〜約１０００ｎｍに及ぶ物理的厚さであってもよい。表１は、本明細書で開示する改善されたＬＥＤ装置と共に使用可能な典型的な薄膜光学材料の反射率および熱挙動を要約する。一実施形態において、低屈折率材料および高屈折率材料の連続は、反射率を最適化するように構成される。別の実施形態において、光学コーティング層２６は、アルミナおよび炭化ケイ素などの高熱伝導性薄膜材料を用いることによって、光学コーティング層２６を通した熱伝達を最適化するように構成される。さらに別の実施形態において、光学コーティング層２６は、同様に、高熱伝導性の薄膜材料を用いることによって、反射率、およびコーティング層２６を通した熱伝達を最適化するように構成される。さらに別の実施形態において、光学コーティング層２６は、同様に、標準的アルミニウムではなく高熱伝導性の銅または銅合金ヒートシンクの使用と共に高熱伝導性の薄膜材料を用いることによって、反射率、およびコーティング層２６を通した熱伝達を最適化するように構成される。
【００２０】
【表１】
2013516761.tif 000003
【００２１】
表１に示すように、現在技術の多層光学コーティング（例えばＳｉＯ2／ＴｉＯ2）の平均熱伝導率は、約１０．６Ｗ／ｍＫである。対照的に、本出願で開示する多層光学コーティング（アルミナ／炭化ケイ素）の熱伝導率は、約８１Ｗ／ｍＫであり、先行技術アーキテクチャに勝り、熱伝導性において約８００％の改善をもたらす。さらに、表１に同様に示すように、ＬＥＤ用に一般に用いられる現在技術のヒートシンク材料（アルミニウム）は、銅で作製されたオプションとしてのヒートシンクと比較して、より低い熱伝導率を有する。このヒートシンク材料として銅（または銅含有合金）を用いることによって、アルミナ／炭化ケイ素光学コーティングと組み合わされた場合に、先行技術アーキテクチャと比較して、ほぼ１６００％の正味の熱改善が達成される。
【００２２】
図５は、耐熱金属酸化物６１（ＳｉＯ2およびＴｉＯ2）で形成された光学コーティングと比較した、本出願で開示する光学コーティング６０の光学性能（パーセント反射率対波長）の例である。同じ光学コーティング設計（同じ物理的厚さを備えた高屈折率および低屈折率の薄膜の同じ連続）を用いると、この新しい多層アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）に基づいたコーティングの光学性能は、領域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内において、耐熱金属酸化物コーティングによって提供されるのとほぼ等しい反射を提供する。かかるものとして、本明細書で開示する光学コーティングは、光出力を光学的に最大化（光損失を最小化）し、一方で効率的な伝導性熱管理用の高熱伝導性経路を提供することによって、現在の装置アーキテクチャに勝る改善された正味のＬＥＤ効率（Ｌ／Ｗ）を提供する。
【００２３】
再び図４を参照すると、一実施形態において、ＬＥＤ装置２０の製造は、少なくとも１つの活性層２２を少なくとも１つの基板２４上に成長させることから始めてもよい。一実施形態において、活性層２２は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）のエピタキシープロセスを介して形成されるが、当業者は、任意の様々な技術を用いて活性層２２を基板２４上に形成してもよいことを理解されよう。典型的には、ＭＯＣＶＤプロセスは、非常に高い基板温度（例えば摂氏１０００度）で活性層２２を成長させる。その後、基板２４上に設けられた活性層２２と共に、ＬＥＤ装置を最終構成へと処理してもよい。最終処理には、少なくとも１つの光学コーティング層２６（アルミナおよび炭化ケイ素の層）を、活性層２２と反対側の基板２４の表面に施すことを含んでもよい。オプションとして、１つまたは複数の金属層２８を、光学コーティング層２６に施してもよい。
【００２４】
代替として、従来の耐熱金属酸化物を用いる光学コーティングと異なり、本明細書で説明するような光学コーティング層２６を形成するアルミナおよび炭化ケイ素材料は、エピタキシャルＭＯＣＶＤプロセスの極端な温度に耐えることができる。かかるものとして、本出願の光学コーティング層２６は、ＭＯＣＶＤプロセスの前に基板２４に施してもよく、後で堆積しなければならない標準的な耐熱金属酸化物に基づいた光学コーティングとは異なる。その後、活性層２２を、光学的にコーティングされた基材２４上に成長させてもよい。対照的に、標準的なコーティング（耐熱金属酸化物）が、かかる極端な温度にさらされた場合に、標準的なコーティングは、クラッキング、剥離、座屈、小割れをこうむることになろう。表２は、アルミナ−炭化ケイ素に基づいた光学コーティングの熱特性を、例示的な耐熱金属酸化物に基づいたコーティングと比較して示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
多層光学コーティングがさらされる可能性がある最高温度は、（基板と比較した、コーティングの熱膨張における差に加えて）光学コーティング材料の熱膨張および収縮における差によって制限される。大きな差は、許容されるこの最高温度の減少をもたらす。（石英および二酸化チタンなどの）例示的な耐熱金属酸化物に基づいた光学コーティングに関して、それらの熱膨張係数の比率は、極めて大きい（１５：１）。高温において、熱膨張係数の差は、中間層コーティングの破損につながることが多い。さらに、それらの熱膨張係数の、下にあるサファイア基板と比較した比率はまた、非常に高く（サファイア上のＳｉＯ2に対して２：１、サファイア上のＴｉＯ2に対して７：１）、これはまた、高温にさらされた場合に、コーティングの層間剥離損傷につながる可能性がある。その結果、耐熱金属酸化物に基づいた光学コーティングを用いるＬＥＤ装置用の典型的な最高暴露温度は、４５０〜５５０℃であり、エピタキシープロセスの１０００℃の温度よりはるかに低い。対照的に、本明細書で説明するような光学コーティング層２６を形成するアルミナおよび炭化ケイ素を用いることによって、それらの同様の熱膨張係数ゆえに、光学コーティング層２６を、劣化なしに極端なエピタキシー温度にさらすことが可能になる。それらの膨張係数の比率は、わずか１．０７：１である。さらに、アルミナ対その下のサファイア基板の比率は、１：１であり、一方で炭化ケイ素対その下のサファイア基板の比率は、１．０７：１である。その結果、バージンサファイア基板は、エピタキシーが行われる前に、アルミナ−炭化ケイ素コーティング層２６で予めコーティングすることができる。さらにコーティングプロセスにおいて発生するどんな誤差も、このコーティングを研磨し、かつコーティングプロセスを繰り返すことによって、修復可能である。かかるものとして、製造リスクは、最小化される。その後、予めコーティングされた基板は、続いて活性層２２のエピタキシー成長のために高温ＭＯＣＶＤプロセスにさらされ、その後、仕上げ装置処理が続いてもよい。
【００２７】
上記のようにかつ図４に示すように、コーティング層２６は、第１の波長領域のほぼ全ての光を反射し、一方でコーティング層２６を通して第２の波長領域のほぼ全ての光を透過させるように構成してもよい。例えば、一実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも９０％を反射し、一方で約７５０ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９０％を透過させるように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９５％を反射し、一方で約５００ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９５％を透過させるように構成してもよい。さらに別の実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９８％を反射し、一方で約７５０ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９８％を透過させるように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９９％を反射し、一方で約７５０ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９９％を透過させるように構成してもよい。かかるものとして、コーティング層２６は、カプセル化デバイス３０におけるドーピング材料の蛍光発光を改善するために、所望の第１の波長の反射を最適化し、一方で基板−金属層界面において第２の波長の電磁放射線（例えば赤外線）の後方反射を低減し、それによって、金属層２８を通る熱伝達を改善するように構成してもよい。
【００２８】
図４に示すように、少なくとも１つのカプセル化デバイス３０を、改善されたＬＥＤ装置２０に配置してもよい。カプセル化デバイス３０は、それ自体に任意の様々なドーパントまたはドーピング材料を含んでもよい。例えば、一実施形態において、カプセル化デバイス３０には、約４００ｎｍ〜約５２５ｎｍの波長領域を有する電磁放射線で照射された場合に、白色光を蛍光発光するように構成された蛍光体が含まれる。別の実施形態において、カプセル化デバイスには、活性層２２によって放射された任意の波長の電磁放射線で照らされた場合に、蛍光発光して任意の様々な波長の光を放射するように構成された１つまたは複数のドーピング材料が含まれる。任意選択で、複数のドーピング材料を同時に用いてもよい。カプセル化デバイス３０は、任意の様々な方法で形成してもよい。例えば、一実施形態において、カプセル化デバイス３０には、流体として活性層２２に施されるエポキシ材料が含まれる。別の実施形態において、カプセル化デバイス３０には、活性層２２に接合されるかまたは別の方法で固定される物理構造を含んでもよい。例えば、一実施形態において、カプセル化デバイス３０は、光学レンズを形成してもよい。例示的な光学レンズには、限定するわけではないが、凹レンズ、凸レンズ、フレネルレンズなどが含まれる。一実施形態において、カプセル化デバイス３０は、改善されたＬＥＤ装置２０に密閉関係で結合するように構成される。例えば、カプセル化デバイス３０は、気密密閉関係で、改善されたＬＥＤ装置２０に結合してもよい。
【実施例】
【００２９】
実施例
多層誘電体光学コーティング２６が、２インチ直径のサファイア基板２４の裏面全体に直接均一に施されたが、このサファイア基板２４において、その上面に個別のＬＥＤ多層半導体素子２２がエピタキシャルに成長された（個別ダイサイズは約１．０ｍｍ平方未満だった）。この場合に、ＬＥＤは、波長領域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の青色光を放射する。光学コーティング２６は、カプセル化デバイス３０が施される前に施された。結果としての所望のスペクトル性能（選択された可視波長帯域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の最大光学反射）を最適化するために選択された物理的厚さを有する、交互になった高および低屈折率薄膜が堆積された。この特定の場合において、高熱伝導性炭化ケイ素が、高屈折率材料（４５０ｎｍにおいて約２．８の屈折率）用に用いられ、高熱伝導性アルミナが、低屈折率材料（４５０ｎｍにおいて約１．６の屈折率）用に用いられる。代表的な多層光学コーティングは、以下のとおりである。
【００３０】
エピタキシャル半導体ＬＥＤ層／サファイア基板／３０．８７Ｈ  ６８．９６Ｌ  ２８．８Ｈ  （２１．６５Ｈ  ７６．２７Ｌ  ２１．６５Ｈ）６  １７．８５Ｈ  ２００．７９Ｌ
ここで符号ＬおよびＨは、Ｌ（低屈折率アルミナ）およびＨ（高屈折率ＳｉＣ）薄膜の物理的厚さを（ｎｍで）示す。波長に応じた代表的な反射性能スペクトル曲線６０を図５に示す。
【００３１】
当業者は、本明細書で説明する炭化ケイ素／アルミナコーティングが、任意の様々な光学用途において使用され得ることを理解されよう。例えば、本明細書で説明する炭化ケイ素／アルミナコーティングは、熱的マッチングゆえに、炭化ケイ素および／またはサファイア基板に施された場合に特に有用である。
【００３２】
特定の形態の実施形態を図示し説明したが、本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱せずに、様々な修正をなしえることは明らかであろう。したがって、本発明が前述の詳細な説明によって限定されることは意図されていない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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