(57)【要約】  青色ＬＥＤ装置は、透明基板と、基板の裏側上に配置される反射構造と、を有する。この反射構造は、青色光のみならず黄色光も反射するように構成された層を有する分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造を含む。一実施例では、ＤＢＲ構造は、層の厚さがより大きい第１部分を含み、また、層の厚さがより小さい第２部分も含む。この反射構造全体は、４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲内の波長の光に対して９７．５パーセント超の反射率を有することに加えて、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の波長の光に対して９０パーセント超の反射率を有する。
2014524674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の下方に配置される反射構造と、を備え、前記反射構造が、
前記基板の下方に配置される、低屈折率の内部全反射層（ＴＩＲ）と、
前記ＴＩＲの下方に配置される、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、
前記ＤＢＲの下方に配置される、反射性金属層と、
を備え、
前記ＤＢＲは、第１の複数の周期及び第２の複数の周期を有し、
前記第１の複数の周期のそれぞれは、第１の厚さを有する高屈折率の誘電材料の第１層と、第２の厚さを有する低屈折率の誘電材料の第２層と、を含み、
前記第２の複数の周期のそれぞれは、第３の厚さを有する前記高屈折率の誘電材料の第１層と、第４の厚さを有する前記低屈折率の誘電材料の第２層と、を含む発光ダイオード装置。
【請求項２】
前記高屈折率の誘電材料は、ＴｉＯ２、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２０５、及びＴａ２０５からなる群から選択され、
前記低屈折率の誘電材料は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２からなる群から選択される請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項３】
前記反射構造は、前記基板から前記反射構造へと通過する第１の光に関して、９０パーセント超の反射率を有し、
前記第１の光が、５００ｎｍ〜７００ｎｍの第１の範囲内の波長を有する請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項４】
前記反射構造は、前記基板から前記反射構造へと通過する第２の光に関して、９０パーセント超の反射率を有し、
前記第２の光は、４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの第２の範囲内の波長を有する請求項３記載の発光ダイオード装置。
【請求項５】
前記第１の複数の周期のそれぞれの前記第１層は、厚さ約７５ｎｍの二酸化チタンであり、
前記第１の複数の周期のそれぞれの前記第２層は、厚さ約１３８ｎｍの二酸化珪素であり、
前記第２の複数の周期のそれぞれの前記第１層は、厚さ約４６ｎｍの二酸化チタンであり、
前記第２の複数の周期のそれぞれの前記第２層は、厚さ約８５ｎｍの二酸化珪素である請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項６】
前記ＤＢＲの前記第１の複数の周期の二酸化チタン層は、前記ＴＩＲと接触する請求項５記載の発光ダイオード装置。
【請求項７】
前記ＤＢＲの前記第２の複数の周期の二酸化チタン層は、前記第１の複数の周期の二酸化珪素層と接触する請求項５記載の発光ダイオード装置。
【請求項８】
前記ＴＩＲは、二酸化珪素の単一層である請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項９】
前記ＴＩＲは、前記ＤＢＲのいずれの二酸化珪素層よりも厚い二酸化珪素の単一層である請求項５記載の発光ダイオード装置。
【請求項１０】
前記反射性金属層は、アルミニウム、銀、ロジウム、白金、及びニッケルからなる群から選択される金属で作製される請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項１１】
前記基板は、透明基板である請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項１２】
基板と、
５００ｎｍ未満の波長の第２の光を放射するように構成され、インジウム及びガリウムを含む、活性層と、
前記基板の前記活性層とは反対側に配置される反射構造と、
を備え、
前記反射構造は、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含み、
前記反射構造は、前記基板から前記反射構造へと通過する第１の光に関して、９０．０パーセント超の反射率を有し、
前記第１の光は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の波長を有する発光ダイオード装置。
【請求項１３】
前記ＤＢＲは、第１の複数の周期と、第２の複数の周期と、を有し、
前記第１の複数の周期のそれぞれは、第１の厚さの第１の材料の第１層と、第２の厚さの第２の材料の第２層と、を含み、
前記第２の複数の周期のそれぞれは、第３の厚さの前記第１の材料の第１層と、第４の厚さの前記第２の材料の第２層と、を含む請求項１２記載の発光ダイオード装置。
【請求項１４】
基板と、
５００ｎｍ未満の波長の光を放射するように構成され、インジウム及びガリウムを含む、活性層と、
５００〜７００ｎｍの範囲内の波長を有する光に対して８５パーセント超のフォトンリサイクリング効率（ＰＲＥ）を呈するように、前記基板から前記手段へと通過する光を反射する手段と、
を備えた発光ダイオード装置。
【請求項１５】
前記ＰＲＥは、５００〜７００ｎｍの範囲内の波長を有する光で前記発光ダイオード装置を照射した時の、前記発光ダイオードが反射する光の割合である請求項１４記載の発光ダイオード装置。
【請求項１６】
前記手段は、金属層と、前記金属層と前記基板の間に配置される分布型ブラッグ反射（ＤＢＲ）構造と、前記ＤＢＲと前記基板の間に配置される低屈折率の内部全反射（ＴＩＲ）層と、を含む請求項１４に記載の発光ダイオード装置。
【請求項１７】
青色ＬＥＤ構造上に反射構造を形成する工程を備え、
前記青色ＬＥＤ構造は、サファイア基板と、活性層と、を有し、
前記活性層は、４４０〜４７０ｎｍの波長の第２の光を放射するように構成され、
前記反射構造は、前記サファイア基板から前記反射構造へと通過する第１の光に関して、９０．０パーセント超の反射率を有し、
前記第１の光は、約５００〜７００ｎｍの波長を有する製造方法。
【請求項１８】
前記反射構造を形成する工程は、第１の複数の周期を形成すること、および、第２の複数の周期を形成することを含み、
前記第１の複数の周期のそれぞれは、厚さ約７５ｎｍの二酸化チタンの第１層と、厚さ約１３８ｎｍの二酸化珪素の第２層と、を含み、
前記第２の複数の周期のそれぞれは、厚さ約４６ｎｍの二酸化チタンの第１層と、厚さ約８５ｎｍの二酸化珪素の第２層を含む請求項１７記載の製造方法。
【請求項１９】
前記反射構造を形成する工程は、
前記基板と接触する低屈折率の内部全反射（ＴＩＲ）層の形成と、
前記ＴＩＲ層と接触する分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の形成と、
前記ＤＢＲと接触する反射性金属層の形成と、を含む請求項１７記載の製造方法。
【請求項２０】
基板と、
前記基板の下方に配置される反射構造と、
を備え、
前記反射構造は、
前記基板の下方に配置される低屈折率の内部全反射層（ＴＩＲ）と、
前記ＴＩＲの下方に配置される分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、
前記ＤＢＲの下方に配置される反射性金属層と、
を有し、
前記ＤＢＲは、第１の複数の周期及び第２の複数の周期を有し、
前記第１の複数の周期のそれぞれは、第１の厚さを有する第１の高屈折率の誘電材料の第１層と、第２の厚さを有する第１の低屈折率の誘電材料の第２層と、を含み、
前記２の厚さは、前記１の厚さよりも大きく、
前記第２の複数の周期のそれぞれは、第３の厚さを有する第２の高屈折率の誘電材料の第１層と、第４の厚さを有する第２の低屈折率の誘電材料の第２層と、を含み、
前記４の厚さは、前記３の厚さよりも大きい発光ダイオード装置。
【請求項２１】
前記第１の高屈折率の誘電材料は、ＴｉＯ２、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２０５、及びＴａ２０５からなる群から選択され、
前記第２の高屈折率の誘電材料は、ＴｉＯ２、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２０５、及びＴａ２０５からなる群から選択され、
前記第１の低屈折率の誘電材料は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２からなる群から選択され、
前記第２の低屈折率の誘電材料は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２からなる群から選択される請求項２０記載の発光ダイオード装置。
【請求項２２】
青色ＬＥＤ構造の基板の裏側上に反射構造を形成する工程を備え、
前記青色ＬＥＤ構造は、約４５０ｎｍの青色光を放射するように構成された活性層を有し、
前記反射構造は、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を有し、
前記ＤＢＲは、約４５０ｎｍの青色光及び約５８０ｎｍの黄色光の双方を反射することに関して実質的に最適化される製造方法。
【請求項２３】
基板と、
前記基板と接触する反射構造と、
を備え、
前記反射構造は、
前記基板と接触する低屈折率の内部全反射層（ＴＩＲ）と、
前記ＴＩＲ層と接触する分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、
前記ＤＢＲと接触する反射性金属層と、を有し、
前記反射構造は、前記基板から前記反射構造へと通過する第１の光に関して、９０．０パーセント超の反射率を有し、
前記第１の光は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの第１の範囲内の波長を有する、発光ダイオード装置。
【請求項２４】
前記ＤＢＲは、第１の複数の周期と、第２の複数の周期と、を有し、
前記第１の複数の周期のそれぞれは、第１の厚さの第１の材料の第１層と、第２の厚さの第２の材料の第２層と、を含み、
前記第２の複数の周期のそれぞれは、第３の厚さの前記第１の材料の第１層と、第４の厚さの前記第２の材料の第２層と、を含む請求項２３記載の発光ダイオード装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、その主題が参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年９月１日出願の米国特許仮出願第６１／５３０，３８５号、表題「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ  ｆｒｏｍ  ａｎ  ＬＥＤ」からの、米国特許法第１１９条の下での優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全体として発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、青色光及び黄色光を良好に反射する反射構造を有する、青色ＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００３】
図１（従来技術）は、いわゆる白色ＬＥＤアセンブリ１の１つのタイプの、簡略化された断面図である。アセンブリ１は、横型青色ＬＥＤ装置２を含む。青色ＬＥＤ装置２の活性層３は、全ての方向に光を放射し、その光はＬＥＤ装置内部で無秩序に跳ね返る。相当量（約５０％）の光が、下向きに進む。下向きに進む光４が、その後にＬＥＤ装置の上面から抜け出ることができるように上向きに反射して戻ることがない場合には、またむしろ、下向きに進む光が、ダイ取付接着剤によって、又はアルミニウムコアＰＣＢによって吸収される場合には、白色ＬＥＤアセンブリ全体の発光効率は、損失を被ることとなる。
【０００４】
横型ＬＥＤ装置の構造には、青色光に対して実質的に透明である、サファイア基板５が必要となる。したがって、下方向に進んでいた光を反射するために、透明基板５の裏側（すなわち、図の底部側）上に反射構造６が配置される。反射構造６は下向きに進む光を反射して、この光を上方に戻して透明基板を通過させ、ＬＥＤ装置のエピタキシャル層を通過させる。次いで、この反射光は、ＬＥＤ装置から抜け出て、シリコーンなどの封入材料内に埋め込まれた、蛍光体７に到達する。この蛍光体は、青色光の一部を吸収して蛍光を発することにより、緑色光、黄色光、及び赤色光を含めた、より長波長の光を再放射する。それゆえ、ＬＥＤアセンブリ１全体から放射される光の、全体的なスペクトルは、白色光であると言われる。この白色光が、このアセンブリによって生成される有用な光である。
【０００５】
反射構造６は、例えば銀などの高反射性金属の単一層とすることができる。残念ながら、銀は、付随する汚染及びエレクトロマイグレーションの問題を有する。この理由及び他の理由のために、図１のＬＥＤ装置２などのＬＥＤ装置は、内部全反射（ＴＩＲ）層８、分布型ブラッグ反射（ＤＢＲ）構造９、及び反射性金属の下位層１０を含む、反射構造を有し得る。これらの層の組み合わせは、反射性の点で、高反射性金属の単一の鏡層よりも優れている。
【０００６】
スネルの法則によれば、より高い屈折率を有する材料から、より低い屈折率を有する材料に向けて、臨界角よりも大きい角度で進む光の全ては、いかなるエネルギー損失も経験することなく、より高い屈折率の材料内へと反射して戻されることとなる。この機序は内部全反射（ＴＩＲ）として既知である。ＴＩＲ層８は、反射器に向けて臨界角よりも大きい角度で通過している青色光を反射するように作り出される。この反射構造の、下方の２つの部分９及び部分１０（ＤＢＲ及び反射性金属層）は、ＴＩＲ層を通過する、あらゆる残余の光を反射するために提供される。
【０００７】
ＤＢＲは、その最も単純な形態では、誘電材料の４分の１波長積層体である。この４分の１波長積層体は、層の積み重ねからなり、それらの層を作製する材料は、その積層体の上から下へ、層ごとに交互配置される。それらの材料は、それらの交互層が、その積層体の上から下へ、高い屈折率、次いで低い屈折率、次いで高い屈折率と、以下同様に有するように、選択される。最上部から積層体に入射する光の所定の波長に関して、上位層はその波長の４分の１の厚さを有するように作製され、この波長はその層を光が通過している際の、その光の波長である。波長λ、周波数ｆ、及び速度ｖは、等式λ＝ｖ／ｆによって与えられる。光が１つの媒質から出て別の媒質に入る際には、その光の速度及び波長は変化し得るが、周波数は変化しない。それゆえ、上位層を作製する材料が、媒質中での光の速度ｖを決定する。それゆえ、この材料はまた、上位層内での光の波長λにも影響を及ぼす。
【０００８】
各材料は、屈折率ηを有する。この屈折率ηは、真空中での光の速度と媒質中での光の速度との比である。媒質中での光の波長は、等式λ＝λο／ηによって与えられ、式中、λοは真空中での波長である。空気を通過して進む光は、真空中の光に近い速度で移動しているため、空気中での光の波長は、真空中での光の波長に近い。ＤＢＲに関する設計波長λοは、０度〜臨界角の入射角を有する光に対するＤＢＲの反射性を考慮する場合、通常はＬＥＤの発する波長よりも長い。例えば、４５０ｎｍのＬＥＤに関する最適なＤＢＲ設計波長は、約５１０ｎｍである。ＱＷＯＴ＝λο／４ηの関係を使用して、層の媒質中での４分の１波長が決定され、この場合ηはその層を作製する材料の屈折率である。この方式で、積層体の様々な層の材料の屈折率を使用することにより、その積層体の各層の厚さが４分の１波長となるために、各層をどの程度の厚さにするべきかが決定される。
【０００９】
光は積層体内に入り、上位層を通過して、次いで、その上位層と積層体内の下方の次の層との界面で、その光の一部が反射する。光の一部は、積層体の次の層内に入り、次の界面へと下方に進行する。その界面が低屈折率の媒質から高屈折率の媒質へのものである場合には、その界面から反射されるいずれの光も１８０度の位相シフトを有することとなる。一方で、その界面が高屈折率の媒質から低屈折率の媒質へのものである場合には、いずれの反射光も位相シフトを有することはない。各界面は、積層体内へと通過する光波の部分反射を引き起こす。積層体の層の厚さと組み合わされた、この位相シフトにより、界面から反射する光の部分は全て、互いに同相となり、積層体の上面へと戻る。多数の界面からの多数の反射は、建設的干渉により、積層体の最上部で全て結合する。その結果として、分布型ブラッグ反射器は、ストップバンドとして既知の有限なスペクトル範囲内での高い反射性を有する。次いで最後に、反射構造６の底部には、反射性金属の層１０が存在する。
【００１０】
図２（従来技術）は、５１０ｎｍの設計波長に基づく、図１の従来技術のＬＥＤ装置２の分布型ブラッグ反射器の様々な層の厚さ及び材料を記載する表である。２つの横列間の線の上の、ｎの表記法は、それらの２つの横列の材料間の界面によって反射された光が、１８０度で位相シフトされることを示す。上位のＳｉＯ２層は、４１０１オングストロームの厚さを有し、ＴＩＲ層８である。ＤＢＲ構造９は３つの周期を含み、各周期は、厚さ４４７オングストロームのＴｉＯ２の第１層、及び厚さ８２０オングストロームのＳｉＯ２の第２層を有する。
【００１１】
図３は、図２で説明される反射器設計を使用する、法線入射反射スペクトルを示す図である。スペクトルのストップバンドは、約５１０ｎｍを中心とし、このストップバンドの短波長側は４５０ｎｍに調整される。理論計算によれば、光の入射角が反射器に対して、面法線からグレージング角に向けて増大する場合、反射スペクトルは短波長に向けて青方偏移する。この反射器は、広範囲の入射角にわたって、４５０ｎｍの波長を有する光に対する高い反射性を確保するように最適化された。図４Ａは、反射構造６の反射性と、反射器上の点１１に到達する、４５０ｎｍの波長を有する光の入射角とを対比して記す図である。０〜５８度の入射角を有する光は、ＤＢＲ及び金属反射体によって反射され、その一方で、５８度よりも大きい入射角を有する光は、ＴＩＲ層によって反射される。全ての入射角で、反射器の総合的な反射性を評価するために正規化角反射率が定義される。図４Ｂを参照すると、光は均一な角分布で、全ての方向から、反射器上の点１１に向けて透過されるように想定される。点１１に入射角θで到達している、その点上に入射する光の量が考察される。この入射角からは、多くの異なる光線が実際にその点に到達することができ、それらの光線は、円錐形状でその点へと通過しているものとして考えることができる。図４Ｂに示す円錐１２の上縁部は、入射角θに関しての、そのような光線に関する発生起点の円を表す。したがって、点１１上に入射する光は、０度の入射角に関するよりも、１度の入射角に関して多く存在する。このより大きい角度での、より大量の光を考察して、対応する反射光の総量が、０度（直交）〜９０度（グレージング角）の角度に関して決定される。次いで、正規化角反射率が入射角の正弦依存性で、角反射率（図４Ａ）を統合することによって算出され、完全な角反射スペクトルへと正規化される。この解析を、所定の波長（例えば４５０ｎｍ）の光に関して実行して、図１の白色ＬＥＤアセンブリ内のＬＥＤによって放射される青色光に関する、反射器の性能を比較する。この方式で解析すると、図１のＬＥＤ装置の従来技術の反射構造は、入射青色光（４５０ｎｍの波長を有する）に対して約９７パーセントの反射率を有する。したがって、下向きに進む青色光４の殆ど全てが反射器に反射して上方に戻るため、その光はＬＥＤ装置から抜け出ることができる。ＤＢＲ９を含む反射構造は、銀などの反射性金属の、単純な鏡層よりも有効である。
【発明の概要】
【００１２】
青色ＬＥＤ装置は、インジウム、ガリウム、及び窒素を含む活性層を有する。この活性層は、準単色かつ非コヒーレントな青色光を放射するように構成される。青色ＬＥＤはまた、透明基板（可視光に対して実質的に透明）、及びこの基板の裏側上に配置される反射構造も有する。この反射構造は青色光のみならず、緑色光、黄色光、及び赤色光を反射するように構成された層を有する分布型ブラッグ反射（ＤＢＲ）構造を含む。一実施例では、ＤＢＲ構造は、層の厚さが比較的大きい第１部分を含み、また、層の厚さが比較的小さい第２部分も含む。４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの第１の範囲内の波長の光に関して、９７．５パーセント超の正規化角反射率を有することに加えて、この反射構造全体はまた、５００ｎｍ〜７００ｎｍの第２の範囲内の波長の光に関して、９５パーセント超の正規化角反射率も有する。この反射構造は、ＬＥＤ装置全体が、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の波長を有する光に関して、８５パーセント超のフォトンリサイクリング効率（ＰＲＥ）を有するように、透明基板から反射構造へと通過する光を反射する。
【００１３】
更なる詳細並びに実施形態及び技術は、以下の「発明を実施するための形態」で、説明される。この「発明の概要」は、本発明を規定することを意図するものではない。本発明は、特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
添付図面は、同様の符号が同様の構成要素を示し、本発明の実施形態を例示する。
【００１５】
【図１】（従来技術）従来のいわゆる白色ＬＥＤの簡略化された断面図である。
【００１６】
【図２】（従来技術）図１の従来技術のＬＥＤ装置の分布型ブラッグ反射器の、様々な層の厚さ及び構成材料を記載する表である。
【００１７】
【図３】（従来技術）図１の従来技術のＬＥＤ装置の反射構造に関する、法線入射角での反射率と入射光の波長とを対比して記す図である。
【００１８】
【図４】（従来技術）図４ａは図１の従来技術のＬＥＤ装置の反射構造の反射率と、反射器上の点に到達する４５０ｎｍの波長の光の入射角とを対比して記す図である。
【００１９】
（従来技術）図４ｂは正規化角反射率の決定に関わる考察を示す概念図である。
【００２０】
【図５】一新規態様による白色ＬＥＤアセンブリの図である。
【００２１】
【図６】図５の白色ＬＥＤアセンブリ内部の青色ＬＥＤ装置の簡略化された断面図である。
【００２２】
【図７】図５〜６の新規反射構造の様々な層の厚さ及び構成材料を記載する表である。
【００２３】
【図８】図５〜７の新規反射構造に関する、反射器表面に垂直な入射光の反射率と波長とを対比して記す図である。
【００２４】
【図９】図５〜７の新規反射構造の、４５０ｎｍ及び５８０ｎｍでの正規化角反射率を、図１〜４の従来技術の反射構造と比較する表である。
【００２５】
【図１０】計算されたＰＲＥ値を有する図５〜７の新規反射構造の、測定ＰＲＥ値（４５０ｎｍ、５８０ｎｍ、及び６３０ｎｍでの）を、図１〜４の従来技術の反射構造（４５０ｎｍ、５８０ｎｍ、及び６３０ｎｍでの）と比較する表である。
【００２６】
【図１１】５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内、及び４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの別の範囲内の波長を有する光に関して、高い正規化角反射率を呈する、青色ＬＥＤ上の反射構造を形成するための方法のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の幾つかの実施形態が詳細に参照され、その実施例が添付の図面で示される。
【００２８】
図５は、一新規態様による白色ＬＥＤアセンブリ２０の簡略化された断面図である。白色ＬＥＤアセンブリ２０は、青色ＬＥＤ装置２１、アルミニウムコアＰＣＢ２２、一対のワイヤボンド２３及びワイヤボンド２４、並びに一定量の蛍光体２５を含む。蛍光体の粒子が、図示のようなシリコーンのドーム構造内に懸濁される。ＬＥＤ装置２１は、図示されない他の部品もあるが、とりわけ、ｐ形層２６、活性層２７、ｎ形層２８、バッファ層２９、並びに２つの電極３０及び電極３１を含むエピタキシャル層部分を含む。層２６〜２８は窒化ガリウム材料で作製され、また活性層は、ＧａＮ青色ＬＥＤ技術では既知であるように、インジウムを含むことにより、その活性層は、いわゆる青色光を放射する。この光は、準単色かつ非コヒーレントである。本実施例では、活性層２７によって放射される光の波長は比較的狭い帯域幅を有し、約４５０ｎｍを中心とする。
【００２９】
エピタキシャル層は透明基板３２上に配置される。透明基板３２は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、又はＡｌＮなどの透明材料で作製される。本実施例では、透明基板３２はサファイア基板である。基板３２の下方には、新規反射構造３４が存在する。反射構造３４は、内部全反射（ＴＩＲ）層３５、多層分布型ブラッグ反射（ＤＢＲ）構造３６、及び反射性金属層３７を含む。ＴＩＲ層３５、及びＤＢＲ３６の低屈折率層は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、又はＣａＦ２などの低屈折率の誘電材料で作製することができ、ＤＢＲ３６の高屈折率層は、ＴｉＯ２、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２０５、又はＴａ２０５などの高屈折率の誘電材料で作製することができる。反射性金属層３７は、アルミニウム、銀、ロジウム、白金、又はニッケルなどの、任意の反射性金属で作製することができる。反射構造３４は、エピタキシャル層からは基板の反対側の、基板の「裏側」上に配置される。図６は、図５の白色ＬＥＤアセンブリ２０の青色ＬＥＤ装置２１の、より詳細な断面図である。
【００３０】
通常、理解されるように、ＬＥＤの活性層から放射される光の半分は、下向きに進む。この光は、本実施例では約４５０ｎｍの波長を有するものであり、「背景技術」のセクションで上述されたように、反射構造によって上向きに反射されて戻るはずである。この光は、図５で光線３８及び光線３９によって表される。
【００３１】
一新規態様によれば、上向きに進む光４０の一部は、ＬＥＤ装置から抜け出て蛍光体２５に到達するが、次いで、その蛍光体によって、より長波長の光へとダウンコンバートされることがここで理解されよう。次いで、この変換光４１の一部は、ＬＥＤ装置内に入るような方式で、ＬＥＤ装置に向けて戻る。蛍光体によってＬＥＤ装置に放射されて戻る光は、全般的には５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内であり、本明細書では簡便性の目的のために、「黄色」光と称される。この光は図５で、光線４１、４２によって表される。図１〜４に関連して上述された従来技術の反射構造では、その反射構造は、この黄色の波長の光を反射するように最適化されなかったが、図５の新規反射構造３４は、この波長の光の反射性を改善するように設計される。
新規反射構造３４は、青色光のみを反射することには最適化されず、また黄色光のみを反射することにも最適化されず、むしろ、この新規反射構造の層は、青色光及び黄色光の双方を高い反射性で反射するように構成される。それゆえ、新規反射構造３４は、約４５０ｎｍの青色光及び約５８０ｎｍの黄色光の双方を反射することに関して実質的に最適化されるＤＢＲを有する。一実施例では、反射構造３４は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の波長を有する第１の光（本明細書では黄色光と称される）に関して、９５．５パーセント超の正規化角反射率を有し、また４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲内の波長を有する第２の光（本明細書では青色光と称される）の９７．５パーセント超の正規化角反射率も有する。図５の新規ＬＥＤアセンブリ２０全体のフォトン効率（ルーメン／ワット）は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の光を反射する際の、反射構造３４の改善された反射性により、図１の従来のＬＥＤアセンブリ１全体のフォトン効率と比較して大きく改善される。
【００３２】
ＤＢＲ構造３４の設計は、黄色光の反射に関して最適化される第１のＤＢＲを設計し、青色光の反射に関して最適化される第２のＤＢＲを設計し、次いで、それらの２つのＤＢＲを、単一の複合ＤＢＲ構造へと組み合わせることほどには単純ではない。１つの部分から次へとＤＢＲ構造を通過する光は、様々な層の厚さの決定を複雑化する、複合的な方式で影響を受け、ＤＢＲは、黄色光又は青色光のいずれに関しても、完全には最適化されないが、極めて単純な説明では、ＤＢＲ３４の第１部分４３が、主に黄色光を反射するように機能し、その一方で、ＤＢＲ３４の第２部分４４が主に青色光を反射するように機能する。第１部分４３の層の厚さは、より大きく、その一方で、第２部分４４の層の厚さは、より小さい。
【００３３】
図７は、具体的一実施形態での反射構造３４の様々な層の厚さ及び構成を記載する表である。横列４５はＴＩＲ層３５に対応する。横列４６は、ＤＢＲ構造３６の第１部分４３に対応し、横列４７は、ＤＢＲ構造３６の第２部分４４に対応する。横列４８は、反射性金属の層３７に対応する。表内の値は、４８０ｎｍの設計波長に関するものである。したがって、横列４７内の値に近い、４分の１波長の光学的厚さ（ＱＷＯＴ）の値は、ＤＢＲ構造の第２部分４４が、青色光を良好に反射することを示す。
【００３４】
図８は、反射構造３４全体に関して、法線入射角に関する反射率４９と波長との対比のグラフである。このグラフは、従来技術の反射器の反射スペクトルと、新規反射器の反射スペクトルとを比較する。新規反射器に関する２つの明確なストップバンド特性が存在し、その反射器設計の複雑性が示される。破線の曲線５０は、比較目的のために図８に再現される、図３の反射率対波長の曲線５０である。
【００３５】
図９はこの比較を記載する表である。基板から反射構造内へと通過する、５８０ｎｍの波長を有する第１の光（本明細書では全般的に黄色光と称される）に関しては、図５〜７の新規反射構造３４は、９５．０パーセント超の反射率を有する。基板から反射構造内へと通過する、４５０ｎｍの波長を有する第２の光（本明細書では全般的に青色光と称される）に関しては、図５〜７の新規反射構造３４は９７．５パーセント超の反射率を有する。
【００３６】
図５の白色ＬＥＤアセンブリ２０を参照すると、蛍光体は、ＬＥＤ装置２１から放射される青色光を吸収して、その青色光を、より長波長（５００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光にダウンコンバートする。蛍光体粒子から等方的に再放射される長波長の光、及び長波長の光の一部の部分は、必然的にＬＥＤ表面へと戻ることとなる。戻された光がＬＥＤ装置２１から抜け出る確率は、フォトンリサイクリング効率（ＰＲＥ）と称される。ＬＥＤ装置から放射された非吸収の青色光もまた、蛍光体によって後方散乱され、ＬＥＤ装置へと戻り得る。包括的な光線追跡モデルを採用して、様々な波長の光に関するＰＲＥを推定した。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、金属電極、ＧａＮ材料損失、散乱構造、及び反射器の吸収を全てシミュレーションに含めた。
【００３７】
４５０ｎｍの光、５８０ｎｍの光、及び６３０ｎｍの光を使用してシミュレーションを実行した。反射された光の百分率（又は「ＰＲＥ」）を、図１０の表に記載する。図９の表に示される、新規反射構造と従来の反射構造との、比較的小さい反射率の差異は実際の装置内では増幅されるが、これは、ＬＥＤ装置内部の光が、装置内部で複数回跳ね返る場合が多いことによるものである。図１の従来の反射構造６から、図５の新規反射構造３４に交換することにより、５８０ｎｍの光及び６３０ｎｍの光の双方に関して、５．０パーセント超のフォトンリサイクリング効率の改善がもたらされることが、シミュレーションによって示される。
【００３８】
図１１は、一新規態様による方法１００のフローチャート図である。青色ＬＥＤ装置の基板の裏側上に、反射構造を形成する（工程１０１）。この青色ＬＥＤ装置の活性層は、約４４０〜４７０ｎｍの波長を有する光を放射するように構成されるが、反射構造は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の波長を有する光に関して９５．０％超の正規化角反射率を有する。具体的な一実施例では、この反射構造はまた４４０〜４７０ｎｍの波長を有する光に関しても、９７．５％超の正規化角反射率を有する。具体的な一実施例では、工程１０１で形成される反射構造は、図５及び図６の反射構造３４であり、この反射構造３４は、図７に記載される厚さ並びに構成材料の、ＴＩＲ層、ＤＢＲ構造、及び金属の下位層を有する。
【００３９】
特定の具体的実施形態が、指示目的のために上述されているが、本特許文書の教示は、一般的な適用性を有するものであり、上述の具体的実施形態に限定されるものではない。したがって、説明される実施形態の様々な特徴の、様々な修正、応用、及び組み合わせは、特許請求の範囲に記載されるような、本発明の範囲から逸脱することなく、実践することができる。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図１１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年2月19日(2014.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、 
前記基板の下方に配置される反射構造と、
インジウムとガリウムを含み４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長の光を生成する活性層と、
を備え、
前記反射構造は、 
前記基板の下方に配置される、内部全反射層（ＴＩＲ）と、 
前記ＴＩＲの下方に配置される、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、 
前記ＤＢＲの下方に配置される、反射性金属層と、 
を有し、 
前記ＤＢＲは、複数の第１周期及び複数の第２周期を有し、 
前記複数の第１周期のそれぞれは、第１の厚さを有する第１誘電体の第１層と、第２の厚さを有し前記第１誘電体よりも低屈折率の第２誘電体の第２層と、を含み、 
前記複数の第２周期のそれぞれは、第３の厚さを有する前記第１誘電体の第３層と、第４の厚さを有する前記第２誘電体の第４層と、を含み、
前記ＴＩＲは、前記第２層および前記第４層よりも厚い、前記第２誘電体からなる単層であり、
前記第１層は、厚さ７５ｎｍの二酸化チタンであり、 
前記第２層は、厚さ１３８ｎｍの二酸化珪素であり、 
前記第３層は、厚さ４６ｎｍの二酸化チタンであり、 
前記第４層は、厚さ８５ｎｍの二酸化珪素であり、
前記第１層は、前記ＴＩＲに接触し、
前記第３層は、前記２層と接触し、
前記反射構造は、前記基板から前記反射構造へと通過し、５００ｎｍ〜７００ｎｍの第１の範囲内の波長を有する第１の光に関して、９０パーセント超の反射率を有し、 
前記基板から前記反射構造へと通過し、４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの第２の範囲内の波長を有する第２の光に関して、９０パーセント超の反射率を有し、 
前記反射性金属層は、アルミニウム、銀、ロジウム、白金、及びニッケルからなる群から選択される金属を含み、
前記基板は、透明基板であり、
フォトンリサイクリング効率（ＰＲＥ）が、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の波長を有する光に対して８５パーセント超である発光ダイオード装置。
【請求項２】
基板と、 
前記基板の下方に配置される反射構造と、
を備え、
前記反射構造は、 
前記基板の下方に配置される、内部全反射層（ＴＩＲ）と、 
前記ＴＩＲの下方に配置される、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、 
前記ＤＢＲの下方に配置される、反射性金属層と、 
を有し、 
前記ＤＢＲは、複数の第１周期及び複数の第２周期を有し、 
前記複数の第１周期のそれぞれは、第１の厚さを有する第１誘電体の第１層と、第２の厚さを有し前記第１誘電体よりも低屈折率の第２誘電体の第２層と、を含み、 
前記複数の第２周期のそれぞれは、第３の厚さを有する前記第１誘電体の第３層と、第４の厚さを有する前記第２誘電体の第４層と、を含み、
前記ＴＩＲは、前記第２層および前記第４層よりも厚い、前記第２誘電体からなる単層である発光ダイオード装置。 
【請求項３】
前記第１誘電体は、ＴｉＯ２、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２０５、及びＴａ２０５からなる群から選択され、
前記第２誘電体は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２からなる群から選択される請求項２記載の発光ダイオード装置。
【請求項４】
前記反射構造は、前記基板から前記反射構造へと通過する第１の光に関して、９０パーセント超の反射率を有し、 
前記第１の光は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの第１の範囲内の波長を有する請求項２または３に記載の発光ダイオード装置。 
【請求項５】
前記反射構造は、前記基板から前記反射構造へと通過する第２の光に関して、９０パーセント超の反射率を有し、 
前記第２の光は、４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの第２の範囲内の波長を有する請求項４記載の発光ダイオード装置。 
【請求項６】
前記第１層は、厚さ７５ｎｍの二酸化チタンであり、 
前記第２層は、厚さ１３８ｎｍの二酸化珪素であり、 
前記第３層は、厚さ４６ｎｍの二酸化チタンであり、 
前記第４層は、厚さ８５ｎｍの二酸化珪素である請求項２〜５のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。 
【請求項７】
前記第１層は、前記ＴＩＲに接触する請求項６記載の発光ダイオード装置。 
【請求項８】
前記第３層は、前記２層と接触する請求項６または７に記載の発光ダイオード装置。 
【請求項９】
前記反射性金属層は、アルミニウム、銀、ロジウム、白金、及びニッケルからなる群から選択される金属を含む請求項２〜８のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。 
【請求項１０】
前記基板は、透明基板である請求項２〜９のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。 
【請求項１１】
前記２の厚さは、前記１の厚さよりも大きく、前記４の厚さは、前記３の厚さよりも大きい請求項２〜１０のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。 
【請求項１２】
５００ｎｍより短い波長の光を生成する活性層をさらに有する請求項２〜１１のいずれかに記載の発光ダイオード装置。 
【請求項１３】
インジウムとガリウムを含み、５００ｎｍより短い波長の光を生成する活性層を更に有し、
フォトンリサイクリング効率（ＰＲＥ）が、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の波長を有する光に対して８５パーセント超である請求項２〜１２のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
【請求項１４】
４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長の光を生成する活性層をさらに有する請求項２〜１３のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。 
【請求項１５】
前記第２誘電体は二酸化珪素である請求項２〜１４のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2014524674.tif 000014
【国際調査報告】
2014524674.tif 000015
2014524674.tif 000016
2014524674.tif 000017