(57)【要約】  波長変換材料３２の層は、エネルギが、粒子３８を表面１５に付着させるように、波長変換材料の粒子３８にエネルギ５０、５４、５８を供給し、前記粒子３８を表面１５と接触させることによって、形成される。幾つかの実施例においては、前記波長変換材料３２は、蛍光体であり、前記表面１５は、半導体発光装置の表面である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換材料の粒子にエネルギを供給するステップと、
前記粒子を表面と接触させるステップとを有する方法であって、 
前記エネルギが、前記粒子を、前記表面との接触時に、前記表面に付着させる方法。  
【請求項２】
エネルギを供給するステップが、加熱するステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
加熱するステップが、前記粒子が溶融状態になるまで加熱するステップを有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
供給するステップが、前記粒子を赤外線にさらすステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
供給するステップが、前記粒子をマイクロ波にさらすステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
エネルギを供給するステップが、加速するステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記表面が、半導体発光装置の表面である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記表面が、透明なプレートである請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記表面が、セラミック蛍光体の表面である請求項１に記載の方法。 
【請求項１０】
前記粒子が、蛍光体である請求項１に記載の方法。  
【請求項１１】
前記粒子を表面と接触させるステップが、 
前記粒子を電子ビームで帯電させるステップと、
帯電した前記粒子を、電界で、前記表面の方へ向けるステップとを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
蛍光体の粒子のストリームを電子ビームに通して、前記ストリーム中の前記粒子の少なくとも幾つかを帯電させるステップと、
帯電した前記粒子を、電界で、ＩＩＩ族窒化物発光装置の表面の方へ向けるステップと、
前記帯電した粒子が前記発光装置の前記表面と接触するときに、前記帯電した粒子の一部が前記表面に付着するような十分なエネルギを前記帯電した粒子に供給するステップとを有する方法。
【請求項１３】
供給するステップが、前記帯電した粒子を赤外線にさらすステップを有する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
供給するステップが、前記帯電した粒子をマイクロ波にさらすステップを有する請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
供給するステップが、前記帯電した粒子を、前記電界で、前記表面の方へ加速するステップを有する請求項１２に記載の方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換層を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）及び端面発光レーザを含む半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度発光装置の製造において現在興味深い材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、とりわけ、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の、二元、三元及び四元合金を含む。一般に、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属気相成長法 （ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によって、サファイア、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物又は他の適切な基板上に、様々な組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックをエピタキシャルに成長させることによって、製造される。前記スタックは、多くの場合、基板の上に形成される例えばSiがドーピングされている１つ以上のｎ型層と、１つ又は複数のｎ型層の上に形成される活性領域内の１つ以上の発光層と、活性領域の上に形成される例えばMgがドーピングされている１つ以上のｐ型層とを含む。ｎ型領域及びｐ型領域において電気接点が形成される。 
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、多くの場合、蛍光体又は色素などの波長変換材料と組み合わされる。１つ以上の波長変換材料と組み合わされたＬＥＤは、白色光又は他の色の単色光を作成するのに用いられ得る。ＬＥＤによって放射された光の全て又は一部だけが、波長変換材料によって変換され得る。変換されてない光が、光の最終スペクトルの一部であってもよいが、そうである必要はない。一般的な装置の例は、黄色放射蛍光体と組み合わされる青色放射ＬＥＤと、緑色及び赤色放射蛍光体と組み合わされる青色放射ＬＥＤと、青色及び黄色放射蛍光体と組み合わされるＵＶ放射ＬＥＤと、青色、緑色及び赤色放射蛍光体と組み合わされるＵＶ放射ＬＥＤとを含む。  
【０００４】
一般的な手法は、蛍光体粒子をＬＥＤに付着するのに有機結合剤を用いて、ＬＥＤを蛍光体でコーティングするものである。有機結合剤は、高温において性能低下をもたらすことがあり、ＬＥＤの故障さえもたらすことがある。
【０００５】
有機結合剤でＬＥＤに付着される粉末蛍光体に代わるものは、ＬＥＤに取り付けられる予備成形焼結セラミック蛍光体である。図１に図示されている、このような装置の一例は、参照により本願明細書に盛り込まれるUS 7,341,878に記載されている。「発光領域を含む半導体構造１３０は、結合界面５６によってセラミック蛍光体５２に結合される。半導体構造１３０上には、接点１８及び２０が形成され、これらは、金属界面１３４によって、パッケージ素子１３２に接続される。」図１は、両方の接点１８及び２０が半導体構造の同じ側に形成されるフリップチップ構成においてパッケージ素子１３２に取り付けられる半導体構造１３０を図示しているが、別の実施例においては、接点１８が、半導体構造１３０の、接点２０と反対側に形成されるように、セラミック蛍光体５２の一部が取り除かれてもよい。
【０００６】
予備成形セラミック蛍光体の処理は高価であり得る。更に、薄い予備成形セラミック層を形成するのは困難であり得る。  
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、有機結合剤を用いずに表面に付着される波長変換層を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施例においては、エネルギが粒子を表面に付着させるように、波長変換材料の粒子にエネルギを供給し、前記粒子を前記表面に接触させることによって、波長変換材料の層が形成される。幾つかの実施例においては、前記波長変換材料は蛍光体であり、前記表面は半導体発光装置の表面である。幾つかの実施例においては、前記エネルギは、前記粒子を加熱又は加速することによって供給される。  
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】発光装置に接続されたセラミック蛍光体を図示する。
【図２】波長変換層を備える薄膜フリップチップＩＩＩ族窒化物発光装置を図示する。
【図３】波長変換層を形成する方法を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施例においては、波長変換材料が表面上に形成される。波長変換材料を表面に付着するのに、結合剤材料は必要とされない。幾つかの実施例においては、表面は、半導体発光装置の表面である。下記の例は、ＩＩＩ族窒化物発光ダイオードを含むが、本発明の実施例は、レーザダイオードなどの他の半導体装置、並びに他のＩＩＩ−Ｖ族装置、ＩＩＩ族燐化物装置、ＩＩＩ族砒化物装置、ＩＩ−ＶＩ族装置、及びSiベースの装置などの他の材料系から作成される装置を含み得る。また、下記の例は、蛍光体を含むが、他の適切な波長変換材料が用いられてもよい。
【００１１】
図２は、ＩＩＩ族窒化物発光装置の表面に形成される蛍光体を備える本発明の実施例を図示している。図２に図示されている装置は、まず、成長基板（図示せず）上で半導体構造を成長させることで、形成される。一般に、ｎ型領域１２が、最初に成長させられ、例えば、ｎ型であり得る又は意図的にはドーピングされない、バッファ層又は核形成層などの準備層、後の基板の剥離又は基板除去後の半導体構造の薄層化を容易にするよう設計される剥離層、及び発光領域が効率的に光を放射するのに望ましい特定の光学的又は電気的特性のために設計されるｎ型装置層又はｐ型装置層を含む、異なる組成及びドーパント濃度の多数の層を含み得る。発光又は活性領域１４は、ｎ型領域の上で成長させられる。適切な発光領域の例は、単一の厚い若しくは薄い発光層、又は障壁層によって分離される多数の薄い若しくは厚い量子井戸発光層を含む多重量子井戸発光領域を含む。ｐ型領域１６は、発光領域の上で成長させられる。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域は、意図的にはドーピングされない層又はｎ型層を含む、異なる組成、厚さ及びドーパント濃度の多数の層を含み得る。
【００１２】
図２は、薄膜フリップチップ装置を図示しており、ここでは、接点が、構造の上面に形成され、構造が、ひっくり返され、マウントに取り付けられ、次いで、成長基板が、取り除かれる。成長基板上で成長させられた半導体構造は、任意の適切な装置に加工され得る。用いられ得る装置構造の他の例は、ｎ型接点及びｐ型接点が装置の反対側に形成される垂直装置、成長基板が装置の一部のままであるフリップチップ装置、及び光が透明な接点を通して抽出される装置を含む。垂直装置においては、上部接点は、蛍光体層より先に形成されてもよく、上部接点上に堆積された蛍光体は、取り除かれてもよく、又は取り除かれなくてもよい。他の例においては、蛍光体層が、上部接点より先に形成され、次いで、蛍光体層の、上部接点が形成される部分を取り除くようパターン形成されてもよい。下記の方法によって形成される蛍光体は、例えば、反応性イオン・エッチング又はレーザ・アブレーションによって取り除かれ得る。
【００１３】
図２に図示されている装置を形成するためには、ｐ型接点２０が、ｐ型領域の上面に形成される。ｐ型接点２０は、銀などの反射層を含み得る。ｐ型接点２０は、抵抗接点層、並びに例えばチタン及び／又はタングステンを含む保護シートなどの他のオプション層を含み得る。ｐ型接点２０、ｐ型領域及び活性領域の一部は、１つ以上のｎ型接点１８が形成されるｎ型領域の一部を露出させるよう取り除かれる。  
【００１４】
ｐ型接点及びｎ型接点において（図２には図示されていない）相互接続部が形成され、次いで、装置が、相互接続部を介してマウント３０に接続される。相互接続部は、はんだ又は他の金属などのあらゆる適切な材料であってもよく、多数の材料層を含んでもよい。幾つかの実施例においては、相互接続部は、少なくとも１つの金又は他の金属の層を含み、ＬＥＤとマウントとの間の結合は、超音波又はサーモソニック・ボンディングによって形成される。
【００１５】
半導体構造がマウント３０に結合された後、成長基板の全て又は一部が、特定の成長基板材料に適切な任意の技術によって取り除かれ得る。例えば、Al2O3基板は、レーザリフトオフによって取り除かれ得る。成長基板が取り除かれた後、半導体構造は、例えば、光電気化学（ＰＥＣ）エッチングによって、薄くされ得る。ｎ型領域の露出面は、例えば、フォトニック結晶を形成することによって、又は粗くすることによって、テクスチャード加工され得る。
【００１６】
蛍光体層３２は、下の、図３に付随する文章において記載されている方法のうちの１つによって、ｎ型領域１２の面に形成される。蛍光体層の厚さは、ＬＥＤ１５の活性領域１４によって放射される光の全て又は一部を波長変換するよう選択される。厚さは、特定の蛍光体、及び蛍光体における波長変換ドーパントの濃度に依存し得る。蛍光体層３２は、幾つかの実施例においては、厚さが10ミクロンと200ミクロンとの間であり、幾つかの実施例においては、厚さが10ミクロンと50ミクロンとの間であり、幾つかの実施例においては、厚さが10ミクロンと30ミクロンとの間である。蛍光体層３２には、異なる波長の光を放射する多数の蛍光体が含まれ得る。多数の蛍光体は、単一の層の中で混合されてもよく、又は別々の層として形成されてもよい。蛍光体層３２は、例えば、青色放射ＬＥＤからの光によって励起されるときに黄色光を放射する、ここではYAG:Ceと呼ばれる、Y3Al5O12:Ce3+などの無機粉末蛍光体であり得る。蛍光体層３２においては、YAG:Ceに加えて又はYAG:Ceの代わりに、あらゆる他の適切な蛍光体が用いられ得る。適切な蛍光体の例は、(Sr,Ca,Mg,Ba,Zn)(Al,B,In,Ga)(Si,Ge)N3:Eu2+、(Sr,Ca,Mg,Ba,Zn)(Al,B,In,Ga)(Si,Ge)N3-aOa:Eu2+又はCe3+ 0≦a≦1、CaAlSiN3:Eu2+、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+、(Lu,Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+、Lu3Al5O12:Ce3+、(Sr,Ba,Ca)Si5-aAlaN8-aOa:Eu2+ 0≦a≦5、Sr2Si5N8:Eu2+、(Sr,Ca,Ba)SiNO:Eu2+、SrSi2N2O2:Eu2+、(Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)S4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+、SrBaSiO4:Eu2+、(Ca,Sr)S:Eu2+、CaS:Eu2+及びSrS:Eu2+を含む。
【００１７】
蛍光体層３２は、蛍光体粒子に、粒子をＬＥＤ１５の表面に付着させるのに十分なエネルギを供給し、次いで、粒子をＬＥＤ１５と接触させることによって、形成される。蛍光体粒子は、その後の焼きなましなしに、表面に付着し得る。
【００１８】
幾つかの実施例においては、蛍光体粒子に、それらを溶融状態にさせるのに十分な熱が供給される。粒度は、必要とされる熱量が、ＬＥＤ１５の表面の温度を感知できるほど上げるのには不十分であるように選択される。溶融蛍光体粒子がＬＥＤ１５の表面と接触するとき、それらは凝固する。この処理は、蛍光体層３２が所望の厚さに達するまで繰り返される。  
【００１９】
幾つかの実施例においては、熱エネルギではなく、運動エネルギが、蛍光体粒子に供給される。蛍光体粒子は、それらが、粒子を溶融するのに必要とされる熱エネルギと同様の量の運動エネルギを持つまで加速される。次いで、ＬＥＤ１５の表面に、高速蛍光体粒子が衝突させられ、前記高速蛍光体粒子は、ＬＥＤ１５の表面に付着する。粒度は、高速蛍光体粒子がＬＥＤ１５の表面に損傷を与えないように選択される。  
【００２０】
幾つかの実施例においては、蛍光体粒子をＬＥＤ１５の表面に付着させるために、熱エネルギと運動エネルギとの組み合わせが用いられる。
【００２１】
図３は、蛍光体層３２を形成する方法を図示している。処理は、減圧チャンバ３４内で行われる。チャンバ３４内の圧力は、大気圧より少なくてもよく、幾つかの実施例においては、実質的に真空である。  
【００２２】
蛍光体粒子３８は、各蛍光体粒子を他の蛍光体粒子から分離する蛍光体分散組立体３６によってチャンバ３４に供給される。粒子３８は、次いで、陽極４６と陰極４８との間に生成される電子４０のビームに通される。電子４０は、蛍光体粒子３８を帯電させる。未使用蛍光体粒子３９は、キャッチ４４によって集められ、場合によっては、組立体３６に戻される。
【００２３】
帯電した蛍光体粒子４２は、プレート５０及び５４の間に生成される電界によって、ターゲット表面、図３におけるＬＥＤ１５の方へ向けられる。幾つかの実施例においては、帯電した蛍光体粒子４２は、プレート５０及び５４の間の電界によって、それらが、加熱されることなしに、ＬＥＤ１５の表面との接触時に、ＬＥＤ１５に付着するのに十分な運動エネルギを持つように加速される。  
【００２４】
幾つかの実施例においては、帯電した蛍光体粒子４２は、それらが溶融状態になり、ターゲット表面、図３におけるＬＥＤ１５との接触時に凝固するように、赤外線のビーム５８に通される。蛍光体粒子が、それらをターゲット表面に付着させるために加熱される場合、蛍光体粒子をターゲット表面に向けるために、重力などの、電子ビーム及び電界以外の技術が用いられ得る。幾つかの実施例においては、蛍光体粒子を加熱するために、赤外線ビームに加えて、又は赤外線ビームの代わりに、マイクロ波場が用いられる。
【００２５】
幾つかの実施例においては、帯電した蛍光体粒子４２は、各粒子がターゲット表面と接触する際の各粒子の運動エネルギと熱エネルギとを組み合わせたものが、前記粒子をターゲット表面に付着させるのに十分なものになるように、電界によって加速され、次いで、赤外線ビーム５８によって加熱される。  
【００２６】
或る例においては、蛍光体は、1200℃より高い温度で溶けるYAG:Ceである。蛍光体粒子は、直径が1ミクロンと5ミクロンとの間である。粒子は、赤外線源によって、それらが溶融状態になるまで、YAG:Ceが吸収する波長で、加熱される。例えば、1kW/cm2乃至100kW/cm2のオーダーの強度を持つ1kWクラスの標準的な工業用CO2レーザが用いられ得る。蛍光体粒子がビームにさらされる期間は、蛍光体の融点、蛍光体粒子のサイズ及び速度、並びにビームジオメトリに依存し得る。幾つかの実施例においては、蛍光体粒子は、数ミリ秒間、ビームにさらされる。溶けた液滴がＬＥＤの表面と接触するとき、それらは凝固する。所望の厚さの蛍光体層が形成されるまで、ＬＥＤの表面に、溶けたYAG:Ceの液滴が衝突させられる。  
【００２７】
他の例においては、YAG:Ce粒子は、電界によって、約1km/秒の速度まで加速され得る。その速度では、直径が3ミクロンである粒子は、約50mJの運動エネルギを持ち、これは、だいたい、前記粒子を溶かすのに必要とされるエネルギ量である。所望の厚さの蛍光体層が形成されるまで、加速された粒子であって、接触時に変形し、ＬＥＤに付着する加速された粒子が、ＬＥＤに衝突させられる。  
【００２８】
幾つかの実施例においては、他の波長変換層が、蛍光体層３２と組み合わされる。例えば、図３に付随する文章において記載されている方法によって形成される第２蛍光体層が、蛍光体層３２の上に形成され得る。ＬＥＤ１５若しくは蛍光体層３２に取り付けられる予備成形セラミック蛍光体層、又はＬＥＤ１５若しくは蛍光体層３２の上に、ステンシルで印刷される、スクリーン印刷される、若しくは投与される有機カプセル材料内に配置される粉末蛍光体などの他の波長変換材料は、蛍光体層３２の上に、又は蛍光体層３２とＬＥＤ１５との間に、蛍光体層３２より先又は後に、形成又は配置され得る。幾つかの実施例においては、蛍光体層３２は、蛍光体層３２を形成するより先又は後に、例えばシリコーンなどの接着剤によって、ＬＥＤ１５に取り付けられるセラミック蛍光体層上に形成される。
【００２９】
幾つかの実施例においては、蛍光体層３２は、例えば、蛍光体層３２を保護するために、又はレンズ若しくは他の光学部品を形成するために、エポキシ又はシリコーンなどの透明な材料によってカプセル化される。透明な材料は、蛍光体層３２をＬＥＤ１５に付着するのに透明な材料が必要とされないように、蛍光体層３２が形成された後に、形成され得る。  
【００３０】
幾つかの実施例においては、蛍光体層３２は、発光装置から分離されている表面上に形成される。例えば、蛍光体層３２は、ディスプレイにおいて光源から間隔をおいて配置されるガラス又は他の透明なプレート上に形成され得る。他の例においては、蛍光体層３２は、発光装置から間隔をおいて配置されるセラミック蛍光体上に形成され得る。
【００３１】
実施例に記載されている波長変換層には幾つかの利点があり得る。蛍光体を結合する、又はセラミック蛍光体をＬＥＤに取り付けるのに有機結合剤が必要とされず、これは、有機結合剤に関連する問題を取り除き得る。波長変換層は、高密度且つ熱伝導性であることができ、これは、装置の性能を向上させ得る。波長変換層の厚さは、緻密に制御されることができ、これは、装置の性能と、装置によって放射される光の特性の制御との両方を向上させることができ、且つ波長変換材料の無駄を省くことにより装置のコストを減らすことができる。波長変換層は、かなり散乱性であることができ、これは、光のさほど大きな損失なしに、装置によって放射される光の一様性を向上させ得る。波長変換層を形成するための処理は、一般に安価である。
【００３２】
本発明を詳細に説明したが、当業者には、本開示を鑑みて、ここに記載されている本発明の思想の趣旨から外れない修正が本発明に対してなされ得ることは分かるであろう。それ故、本発明の範囲を、図示及び記載されている特定の実施例に限定する意図はない。
【図１】
2013520005.tif 000003
【図２】
2013520005.tif 000004
【図３】
2013520005.tif 000005
【国際調査報告】
2013520005.tif 000006
2013520005.tif 000007
2013520005.tif 000008
2013520005.tif 000009
2013520005.tif 000010
2013520005.tif 000011