(57)【要約】【課題】　特定の色が要求される用途において用いられる場合、チップから発光される光の色と、蛍光体により変換される光の量を厳しく制御する。【解決手段】　発光デバイスは、上面及び側面を有する半導体発光デバイスチップと、該チップの該上面及び該側面の少なくとも一部の上にある波長変換材料と、該波長変換材料の上にフィルタ材料とを含む。チップは、第１波長の光を発光することができ、波長変換材料は該第１波長の光を吸収し、かつ第２波長の光を発光することができ、フィルタ材料は、該第１波長の光を吸収することができる。他の実施形態においては、発光デバイスは、第１波長の光を反射し、かつ第２波長の光を透過することができるフィルタ材料を含む。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　上面及び側面を有し、第１波長を有する第１光を発光することができる半導体発光デバイスチップと、
　前記上面の少なくとも一部及び前記側面の少なくとも一部の上にあり、前記第１光を吸収して、第２波長を有する第２光を発光することができる波長変換材料と、
　前記波長変換材料の上にあり、前記第１光を吸収することができるフィルタ材料と、
を備えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
　前記フィルタ材料がカプセル材料の中に分散された請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
　前記カプセル材料がシリコーンを備えた請求項２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
　前記半導体発光デバイスチップの上にさらにレンズを備える請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
　前記半導体発光デバイスチップに電気的に接続した複数のリードをさらに備える請求項４に記載の発光デバイス。
【請求項６】
　前記フィルタ材料が前記半導体デバイスチップに面する前記レンズの表面上に被覆された請求項４に記載の発光デバイス。
【請求項７】
　前記フィルタ材料が前記半導体デバイスチップとは反対側の前記レンズの表面上に被覆された請求項４に記載の発光デバイス。
【請求項８】
　前記フィルタ材料が前記レンズの中に組み入れられた請求項４に記載の発光デバイス。
【請求項９】
　前記波長変換材料が、実質的に等角に前記半導体発光デバイスチップを被覆する請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
　前記波長変換材料が蛍光体である請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
　前記蛍光体がＹＡＧ、ＹＡＧ：Ｃｅ＋Ｐｒ、ＳｒＳ：Ｅｕ、及びストロンチウムチオガレートからなる群から選択された請求項１０に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
　前記フィルタ材料が有機染料からなる請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１３】
　前記フィルタ材料が可視光を発光しない請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
　第１波長を有する第１光を発光することができる半導体発光デバイスチップと、
　前記チップの上面の上にあり、前記第１光を吸収して第２波長を有する第２光を発光することができる波長変換材料と、
　前記波長変換材料の上にあり、前記第１光の一部を反射して前記第２光を透過することができるフィルタ材料と、
を備えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項１５】
　前記第１光がＵＶ光である請求項１４に記載の発光デバイス。
【請求項１６】
　前記第１光が青色光である請求項１４に記載の発光デバイス。
【請求項１７】
　前記フィルタ材料が少なくとも１つの誘電体層を備える請求項１４に記載の発光デバイス。
【請求項１８】
　前記半導体発光デバイスチップの上にレンズをさらに備え、前記少なくとも１つの誘電体層が前記レンズの表面上に形成された請求項１７に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、波長変換材料及びフィルタ材料を含む半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
　発光ダイオードのような半導体発光デバイスチップから発光される光の色は、波長変換材料を、該チップを出て行く光の通路に置くことにより変えることができる。波長変換材料は、例えば、蛍光体とすることができる。蛍光体は、励起エネルギ（通常は放射線エネルギ）を吸収し、ある期間だけこのエネルギを貯えることができる発光性材料である。貯えられたエネルギは、次に、最初の励起エネルギとは異なるエネルギの放射線として放出される。例えば、「ダウン変換」とは、放出された放射線が最初の励起放射線よりも少ない量子エネルギを有する状況を指す。エネルギ波長は、赤に向かって光の色をシフトさせながら効率的に増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
　チップから発光された幾らかの光が蛍光体により吸収されない場合には、該チップから発光され変換されなかった光は該蛍光体から発光された光と混合して、該チップから発光された光の色と該蛍光体から発光された光の色との間の色が生成されるようになる。特定の色が要求される用途において用いられる場合、チップから発光される光の色と、蛍光体により変換される光の量は、厳しく制御されなくてはならない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
　本発明の実施形態によると、発光デバイスは、上面及び側面を有する半導体発光デバイスチップと、該チップの該上面及び該側面の少なくとも一部の上にある波長変換材料と、該波長変換材料の上にあるフィルタ材料とを含む。チップは、第１波長の光を発光することができ、波長変換材料は該第１波長の光を吸収して第２波長の光を発光することができ、フィルタ材料は、該第１波長の光を吸収することができる。他の実施形態においては、発光デバイスは、第１波長の光を反射することができ、かつ第２波長の光を透過することができるフィルタ材料を含む。
　フィルタ材料は、波長変換材料により変換されなかったチップから発光された光の少なくとも一部がデバイスを出て行くことを阻止する。フィルタ材料の使用は、波長変換された半導体発光デバイスの色の純度及びルーメン出力を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
　本発明の実施形態によると、発光デバイスは、発光デバイスチップから発光された光の波長を変換するための波長変換層と、該チップからの変換されなかったあらゆる光を濾波して除去するためのフィルタ層とを含む。ＩＩＩ族窒化物フリップチップの例を以下に考える。本発明は、以下の例において説明される材料、デバイスの配向、その他の詳細に制限されるものではないことを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、例えばＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩＩ族窒化物材料、ＩＩＩ族燐化物材料、及びＩＩ−ＶＩ族材料を含む如何なる適当な発光デバイス材料システムにも適用することができる。本発明の実施形態は、半導体層の両側にコンタクトをもつデバイス、光が基板を通して抽出されるフリップチップのような半導体層の同じ側にコンタクトをもつデバイス、及び光がコンタクトを通して抽出されるエピタキシ・アップ構造を含む、如何なるデバイス構成にも適用することができる。
　図１は、本発明の実施形態を示す。発光デバイスチップは、基板１０と、ｎ型領域１２と、活性領域１４と、ｐ型領域１５とを含む。一実施形態において、ｎ型領域１２、活性領域１４、及びｐ型領域１５は、０　ｘ　１，０　ｙ　１，０　ｚ　１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１として、化学式ＡｌxＩｎyＧａzＮを有するＩＩＩ族窒化物材料である。ＩＩＩ族窒化物材料の成長に適当な基板は、ＧａＮ、ＳｉＣ及びサファイアを含む。ｎ型領域１２、活性領域１４、及びｐ型領域１５の各々は、同じ又は異なる組成物、厚さ、及びドーパント濃度をもつ単層又は多層とすることができる。ｐ型領域１５及び活性領域１４の一部は、ｎ型領域１２の一部を露出させるように除去される。コンタクト１６は、ｐ型領域１５の残りの部分上及びｎ型領域の露出した部分上に形成される。コンタクト１６は、サブマウント相互接続部１７によりサブマウント１８に電気的に及び物理的に接続することができる。サブマウント相互接続部は、例えばはんだであってよい。コンタクト１６は、活性領域１４において発生させられた光が基板１０を通してチップから抽出されるように反射性があるものとすることができる。
【０００６】
　波長変換層２０がチップの上に形成される。波長変換材料は、プラセオジム及びセリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｐｒ＋Ｃｅ）、ユーロピウムをドープした硫化ストロンチウム（ＳｒＳ：Ｅｕ）、ストロンチウムチオガレート、又はその他の適当な蛍光体のいずれかであってよい。波長変換層２０は、例えば、電気泳動付着、ステンシリング、スクリーン印刷、及びその他の適当な技術のいずれかにより形成することができる。波長変換層２０は、図１に示すように、チップの上部及び側部のすべてをカバーする必要はない。チップから発光された波長を、同じ又は異なる波長に変換することができる多数の波長変換材料を波長変換層２０の中に組み入れることができ、又は、該波長変換層を各々が異なる波長変換材料を収める多数の個別の副層で構成することができる。
　フィルタ層１９が波長変換層２０の上に形成される。フィルタ層１９は、発光デバイスチップの活性領域１４により発光された波長の光を吸収し、波長変換層２０により発光された波長の光を透過する。フィルタ層１９の材料は、チップにより発光され変換されなかった光の幾らか又はすべてが、デバイスから出て行くのを阻止するように選択し、付着させることができる。フィルタ材料は、例えば、チップにより発光され変換されなかった光を吸収し、エネルギを熱として放散する材料とすることができる。適当なフィルタ材料の例は、無機及び有機染料を含む。
【０００７】
　図２は、本発明の代替的な実施形態を示す。図２に示す実施形態においては、フィルタ層及び波長変換層は、発光デバイスチップ上に同形状に被覆されるのではなく、該チップの上にある材料に分散される。図２に示すデバイスにおいて、台座２５は発光デバイスチップ２４及びレンズ２２を支持し、該チップ２４と該レンズ２２との間に、硬いか又は柔らかいカプセル材料により占めることができる空間が生成されるようにする。適当なカプセル材料の例は、硬いか又は柔らかいシリコーン及びエポキシを含む。カプセル材料は、一般に、該カプセル材料の屈折率が、該カプセル材料に隣接する材料（例えば、チップの基板）の屈折率に出来るだけ厳密に適合するように選択される。さらに、カプセル材料は、波長変換材料及び／又はフィルタ材料と混合する能力を考慮して選択することができる。蛍光体のような波長変換材料の粒子が、チップ２４に近いカプセル材料の第１層２６に分散される。フィルタ材料の粒子が、波長変換層２６の上にあるカプセル材料の第２層２８に分散される。同じ又は異なるカプセル材料を、波長変換材料及びフィルタ材料に用いてもよい。チップ２４、波長変換層２６、フィルタ層２８、及びレンズ２２は、図２に示すように互いに隣接している必要はない。空気、カプセル材料の付加的な層、又は他の材料の層で、図２に示す層のいずれかを分離することができる。さらに、波長変換層２６は、多数の波長変換材料を収めることができ、又は同じ又は異なる波長変換材料を収める多数の個別の副層であってもよい。フィルタ層２８は、さらに、多数のフィルタ材料を収めることができ、同じ又は異なるフィルタ材料を収める多数の個別の副層であってもよい。
【０００８】
　他の実施形態においては、カプセル材料に分散されたフィルタ材料を含む図２のフィルタ層２８は、図１の同形状の波長変換層２０と組み合わせて用いられる。他の実施形態においては、フィルタ材料は、図２のレンズ２２の内側又は該レンズ２２の外側に被覆するか、又は該レンズ２２を形成する材料に組み入れることができる。上述の実施形態において、フィルタ材料はチップからの変換されなかった好ましくない発光を吸収する。さらに他の実施形態においては、フィルタ材料は、チップからの変換されなかった好ましくない発光を反射する一方で、波長変換された好ましい発光を透過する。例えば、フィルタ材料は、波長変換された光を透過し、変換されなかった光を反射するように選択された屈折率をもつ一連の誘電体材料の層とすることができる。誘電体材料は、変換された波長を透過し、変換されなかった波長を反射する能力、及び、該変換された波長及び該変換されなかった波長の両方に耐える能力を考慮して既知の被覆から選択することができる。
　一例として、チップからの変換されなかった発光は５００ｎｍより少ない波長の青色光であり、波長変換された発光は５００ｎｍより大きい波長の緑色ｓ光である。
　図３は、各々が４５０ｎｍの青色発光チップの被覆層、５３５ｎｍの緑色発光蛍光体層をもち、一方はフィルタ層をもち（デバイスＡ）、他方はフィルタ層をもたない（デバイスＢ）２つのデバイスの発光スペクトルを示す。デバイスＡにフィルタ層を含めることにより、デバイスチップにより発光された光が該チップから出て行くことを完全に阻止することができる。したがって、デバイスチップからの光は、デバイスＡから見ることができる光の色に著しく影響することはない。デバイスＡからの光は緑色に見える。対照的に、デバイスＢは、デバイスチップからの発光に小さなピークを有する。デバイスＢからの光は、チップからの発光に起因して、緑色系の青色に見えることがある。
【０００９】
　フィルタ層を波長変換半導体発光デバイスに含めることは、幾つかの利点を提供する。第１に、フィルタ層の使用により、デバイスにより生成された光の色及び色の純度の厳しい制御が可能になる。製造中の制御は困難なことがある発光デバイスチップにより発光された光の波長は、活性領域の組成物によって決まる。対照的に、波長変換材料は、吸収された光が該波長変換材料を励起することができる範囲内にある限り、該吸収された光の波長にかかわらず、同じ色の高純度のカラー光を発光するのが普通である。したがって、波長変換材料の使用は、種々のデバイスにより生成された光の色の均一性を改善する。チップからの光が波長変換された光と混合されることが許容できる場合には、デバイスにわたる均一性は、妥協できることがある。フィルタ層の使用は、チップからの光がデバイスを出て行くことを阻止し、したがって、該デバイスから出て行く光だけが波長変換材料により発光された高純度のカラー光である。
　第２に、フィルタ層の使用により、波長変換された半導体発光デバイスのルーメン出力を増加させることができる。図４は、蛍光体により変換されなかったデバイスチップにより発光された光部分の関数として、幾つかのデバイスのルーメン出力を示す。図４に示すように、チップから発光された幾らかの光を変換しないで蛍光体層を通って漏れさせるデバイスは、該チップから発光されたすべての光を蛍光体変換したデバイスより、高いルーメン出力を示す。デバイスチップにより発光された光のすべてを完全に変換するためには、厚い蛍光体層を用いなければならない。厚い蛍光体層は、光が、チップ又はデバイスの他の部分における半導体層による吸収を通して損失する可能性を増加させる光の後方散乱の増加をもたらすことがあり、該デバイスの総ルーメン出力が削減されるようになる。チップにより発光された光と蛍光体により発光された光の混合が望ましくない適用例においては、フィルタの使用により、最大の蛍光体発光のために、蛍光体層の厚さその他の特性の調整が可能になり、該チップからの変換されなかった光の選択的な吸収により、蛍光体からの発光の色及び色の純度は維持される。
【００１０】
　フィルタは、さらに、白色の発生のためにＬＥＤの効率を改善するように用いることができる。この機会は、上述のように、チップの抽出効率が、該チップを囲む波長変換粒子の装填密度又は合計厚に強く依存するためである。装填密度が増加すると、抽出効率は減る。この影響は、チップから直接発光された光部分を、発生させられた光の総量（ポンプ光及び変換された光）と比較した、ポンプ光漏れの関数として、デバイスの光の発生効率を測定することにより、最も容易に観察することができる。そのような測定が行われたが、その結果のデータは、図６に示すものと同様であった。
　波長変換媒体を用いるＬＥＤチップについて、発生させられた全光は、
φpump＋φconv＝φinＱＥＱＤＣext
と書くことができ、ここでφpumpは直接のチップ発光からの出力光束（すなわち、変換媒体を通って漏れる）であり、φconvは波長変換された出力光束であり、ＱＥは波長変換器の量子効果であり、ＱＤはフォトンエネルギにおける関連の量子欠損であり、Ｃextは
Ｆpump＝φpump／（φpump＋φconv）
と書くことができるポンプ漏れ部分によって決まる抽出効率である。
【００１１】
　変換された光の出力を、ここで、ポンプ漏れ部分によって書くことができるため、
φconv＝（１−Ｆpump）φinＱＥＱＤＣext
となる。
【００１２】
　この式は、図６に示す実験的な相関関係を用いて、波長変換媒体を用いるチップの相対的な変換効率をポンプ漏れ部分の関数として求めるように用いることができる。この手法を用いることにより、青色ポンプＬＥＤチップ（青色の発光が直接白のスペクトルに影響する）を用いた、又はＵＶベースのポンプ（光が使用可能なスペクトルに影響しない）を用いた白色光の発生の例を比較することができる。この結果は、青色の又はＵＶのポンプの波長のいずれかを用いて、波長変換媒体を用いるＬＥＤの計算された変換効率を示す図７に示される。変換効率は、波長変換器を用いるデバイスについての全発光パワーとして定められ、裸のポンプＬＥＤ（波長変換媒体がない）の総発光パワーで割られる。「フィルタされた」と表示が付された曲線は、所望の出力スペクトル要求を維持するように要求される漏れポンプ光を減らすか又は排除するように吸収フィルタ機構を用いるデバイスの場合についてのデータである。「リフレクタ」と表示が付された曲線は、漏れポンプ光をデバイスの中に反射して戻すように反射材料を用いるデバイスの場合についてのデータである。
【００１３】
　これらの計算は、ピーク波長が４５０ｎｍ（青色）、５４０ｎｍ（緑色）、及び６２０ｎｍ（赤色）で、蛍光体に典型的なスペクトル幅をもつ波長変換器を仮定する。青色のポンプ波長は４５０ｎｍとして取られ、ＵＶのポンプ波長は３９０ｎｍとして取られた。フィルタ又はリフレクタが用いられる場合については、フィルタ／リフレクタ挿入損失を１０％取る。青色、緑色、及び赤色の光の組み合わせは、２９００Ｋの白色光のターゲットに対する見積もりとして８％、３７％、及び５５％の放射率で維持された。
【００１４】
　基準点として、すべての光が変換されたＵＶベースのポンプの場合（目の安全理由のために必要だと思われる０％の漏れ）は、１２％において最も悪い変換効率をもたらすことに注目する。最終スペクトルにおいて直接用いられる８％の漏れを可能にする青ベースのポンプは、３８％のより高い変換効率をもたらす（３倍以上の改善）。
　変換効率における劇的な改善は、特にＵＶのポンプの場合について、より多くのポンプ漏れを可能にすることにより得ることができる。後にすべてのＵＶ光を遮断するフィルタを用いることにより、最初に２０％の漏れを可能にするデバイスは、３１％の変換効率を達成し、これは「１００％変換された」場合を２倍以上上回るものである。同様であるがより弱い青色のポンプの場合についての改善は、２０％の漏れを可能にし、最終の白色点を修正するようにフィルタを用いることにより得られる。この場合においては、変換効率は３８％から３９％に増加する。
　吸収フィルタ材料ではなくリフレクタを用いることにより、さらに変換効率が改善される。２０％の漏れを可能にするＵＶポンプデバイスの場合において、吸収フィルタではなくリフレクタを用いることにより、変換効率が３１．５％から３４％に増加する。２０％の漏れを可能にする青色ポンプデバイスの場合においては、吸収フィルタではなくリフレクタを用いることにより、変換効率が３９％から４２％に増加する。
　この作業から、より多くのポンプ光の漏れを可能にし、吸収フィルタ又は反射フィルタにより最終スペクトルを修正することが、低い白色温度が要求される青色ポンプの場合、又はＵＶポンプの場合（すべての場合）のいずれにおいても、低いポンプ漏れが要求される場合に最も重要であることが明らかである。
【００１５】
　図５は、パッケージされた発光デバイスの分解図である。放熱スラグ１００がインサート成形されたリードフレーム１０６の中に置かれる。インサート成形されたリードフレーム１０６は、例えば、電気的通路を与える金属フレームの周りに成形された充填剤入りプラスチック材料である。スラグ１００は、任意にリフレクタカップ１０２を含むことができる。或いは、スラグ１００は、リフレクタカップなしで、台座を形成するものとすることができる。上述のデバイスのいずれかとすることができる発光デバイスのダイ１０４が、スラグ１００に直接に又は熱伝導性のあるサブマウント１０３を介して間接的にマウントされる。光学レンズ１０８を付加することができる。波長変換材料及び／又はフィルタ材料がカプセル材料に分散された実施形態においては、該カプセル材料をダイ１０４とレンズ１０８との間に注入することができる。好ましくないポンプ発光を、デバイスの中に反射して戻すようにリフレクタが用いられる実施形態においては、該リフレクタは、レンズ１０８の内面又は外面に適用される一連の誘電体層とすることができる。
　本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本発明の開示が与えられた場合には、ここに説明される本発明の概念の精神から離れることなく、本発明に修正を行うことができることを認識するであろう。したがって、本発明の範囲は図示され説明された特定の実施形態に制限されるものではないこが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を示す。
【図２】本発明の代替的な実施形態を示す。
【図３】一方がフィルタ層をもち、他方がフィルタ層をもたない２つのデバイスの発光スペクトルを示す。
【図４】幾つかの蛍光体変換された発光デバイスのルーメン出力を、蛍光体層により変換されなかった光部分の関数として示す。
【図５】パッケージされた発光デバイスの分解図である。
【図６】波長変換された発光デバイスについて、ポンプ漏れ部分の関数として抽出効率をプロットしたものである。
【図７】フィルタをもたないもの、吸収フィルタをもつもの、及びリフレクタをもつものの青色の及びＵＶの波長変換されたデバイスについて、ポンプ漏れ部分の関数として変換効率をプロットしたものである。
【符号の説明】
【００１７】
１０：基板
１２：ｎ型領域
１４：活性領域
１５：ｐ型領域
１６：コンタクト
１７：サブマウント相互接続部
１８：サブマウント
１９：フィルタ層
２０：波長変換層
【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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【図６】
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【図７】
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