(57)【要約】【課題】第１光を発光する光源と、第１光に対してほぼ透明であり、第１光の少なくとも一部を受け取るように配置された第１材料と、第１材料中に分散された第２材料の粒子とを含む発光デバイスを提供する。【解決手段】第２材料は、第１光の波長において第１材料の屈折率より大きい屈折率を有する。第２材料の粒子は、この波長より小さい直径を有する。第３材料の粒子も、第１材料中に分散させることができる。【選択図】　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光を発光する光源と、
前記第１光に対してほぼ透明であり、前記第１光の少なくとも一部を受け取るように配置された第１材料と、
前記第１材料中に分散された第２材料の粒子と、
を含み、前記第２材料が、前記第１光の波長において前記第１材料の屈折率より大きい屈折率を有し、前記粒子が、前記波長より小さい直径を有し、前記波長の光を実質的に吸収しないことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記光源が、発光半導体デバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記第１材料が、前記光源の少なくとも一部の上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記第１材料が、エポキシ、シリコン、アクリルポリマー、ポリカーボネート、光学ガラス、カルコゲナイドガラス、スピロ化合物、及びこれらの混合物からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記第２材料が、金属酸化物、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、窒化物、ニトリドシリケート、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記第２材料が、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項５に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記粒子が、約２ｎｍから約５０ｎｍまでの直径を有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記第１材料に前記第２材料の粒子が組み合わされたものが、約１．６より大きい屈折率をもつ媒体を与えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記発光デバイスがさらに、前記第１材料中に分散された第３材料の粒子を含み、前記第３材料の粒子が、前記第１光の少なくとも一部を吸収して、前記第１光の前記波長より大きい波長をもつ第２光を発光することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記第３材料の粒子は、前記第１光の前記波長より大きい直径を有することを特徴とする請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記第３材料の粒子は、前記第１光の前記波長より小さい直径を有することを特徴とする請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記第３材料は、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、有機染料、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、没食子酸塩、アルミン酸塩、ケイ酸塩、リン酸塩、セレン化物、硫化物、及びこれらの混合物からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１３】
前記第１材料と前記第２材料の粒子とが組み合わされて、前記第１光の前記波長において前記第３材料の屈折率にほぼ一致する屈折率をもつ媒体を与えることを特徴とする請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
前記発光デバイスが光学要素をさらに含み、前記第１材料の少なくとも一部が、前記光学要素と前記発光半導体デバイスとの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１５】
前記第１材料の前記一部が、前記光学要素を前記発光半導体デバイスに結合させることを特徴とする請求項１４に記載の発光デバイス。
【請求項１６】
前記光学要素がレンズを含むことを特徴とする請求項１４に記載の発光デバイス。
【請求項１７】
前記光源に接続されたサブマウントと、前記サブマウントに接続されたリードフレームとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１８】
第１光を発光する光源と、
前記第１光に対してほぼ透明であり、前記第１光の少なくとも一部を受け取るように配置された第１材料と、
前記第１材料中に分散された第２材料の粒子と、
前記第１材料中に分散された第３材料の粒子と、
を含み、前記第２材料が、前記第１光の波長において前記第１材料の屈折率より大きい屈折率を有し、前記第２材料の粒子が、前記波長より小さい直径を有し、前記第３材料の粒子が、前記波長より大きい直径を有することを特徴とする発光デバイス。
【請求項１９】
前記光源が、発光半導体デバイスを含むことを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２０】
前記第１材料が、前記光源の少なくとも一部の上に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２１】
前記第１材料が、エポキシ、シリコン、アクリルポリマー、ポリカーボネート、光学ガラス、カルコゲナイドガラス、スピロ化合物、及びこれらの混合物からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２２】
前記第２材料が、金属酸化物、ニトリドシリケート、窒化物、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、有機染料、及びこれらの混合物からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２３】
前記第２材料の粒子が、約２ｎｍから約５０ｎｍまでの直径を有することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２４】
前記第１材料に前記第２材料の粒子が組み合わされたものが、約１．６より大きい屈折率をもつ媒体を与えることを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２５】
前記第２材料の粒子が、前記第１光の少なくとも一部を吸収して、前記第１光の前記波長より大きい波長をもつ第２光を発光することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２６】
前記第３材料は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、没食子酸塩、アルミン酸塩、ケイ酸塩、リン酸塩、セレン化物、硫化物、及びこれらの混合物からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２７】
前記第３材料の粒子が、前記第１光の少なくとも一部を吸収して、前記第１光の前記波長より大きい波長をもつ第２光を発光することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２８】
前記第２材料の粒子が、前記第１光の一部を吸収して、前記第１光の前記波長より大きい波長をもつ第２光を発光し、前記第３材料の粒子が、前記第１光の別の部分を吸収して、前記第１光の前記波長より大きい波長をもつ第３光を発光することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２９】
前記第１材料と前記第２材料の粒子とが組み合わされて、前記第１光の前記波長において前記第３材料の屈折率にほぼ一致する屈折率をもつ媒体を与えることを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項３０】
前記発光デバイスが光学要素をさらに含み、前記第１材料の少なくとも一部が、前記光学要素と前記発光半導体デバイスとの間に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項３１】
前記第１材料の前記一部が、前記光学要素を前記発光半導体デバイスに結合させることを特徴とする請求項３０に記載の発光デバイス。
【請求項３２】
前記光学要素がレンズを含むことを特徴とする請求項３０に記載の発光デバイス。
【請求項３３】
前記光源に接続されたサブマウントと、前記サブマウントに接続されたリードフレームとをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項３４】
発光デバイスを作製する方法であって、前記方法が、
第１光を発光する光源を用意することと、
前記第１光に対してほぼ透明である第１材料を、前記光源と光学的に連通するように設けることと、
前記第１材料中に第２材料の粒子を分散させることと、
を含み、前記第２材料は、前記第１光の波長において前記第１材料の屈折率より大きい屈折率を有し、前記粒子は、前記波長より小さい直径を有し、
前記分散は、前記第１材料に前記第２材料の粒子が組み合わされたものが、特定の屈折率をもつ媒体を与えるようにされることを特徴とする方法。
【請求項３５】
前記光源が、発光半導体デバイスを含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記屈折率が約１．６より大きいことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１材料を、前記光源の少なくとも一部の上に配置することをさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１材料が、エポキシ、シリコン、アクリルポリマー、ポリカーボネート、光学ガラス、カルコゲナイドガラス、スピロ化合物、及びこれらの混合物からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２材料が、金属酸化物、ニトリドシリケート、窒化物、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、有機染料、及びこれらの混合物からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２材料の粒子が、約２ｎｍから約５０ｎｍまでの直径を有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記第２材料の粒子が前記波長の光をほぼ吸収しないことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
前記第２材料の粒子が、前記第１光の少なくとも一部を吸収して、前記第１光の前記波長より大きい波長をもつ第２光を発光することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１材料中に第３材料の粒子を分散させることをさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４４】
前記第３材料の粒子は、前記第１光の前記波長より小さい直径を有することを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記第３材料の粒子は、前記第１光の前記波長より大きい直径を有することを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
前記第３材料の粒子が、前記第１光の少なくとも一部を吸収して、前記第１光の前記波長より大きい波長をもつ第２光を発光することを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
前記媒体の前記屈折率が、前記第１光の前記波長において前記第３材料の屈折率にほぼ一致することを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１材料の少なくとも一部によって、光学要素を前記発光半導体デバイスにそれらの間で結合させることをさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４９】
前記光学要素がレンズを含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は発光デバイスに関し、より詳細には半導体発光デバイスに関する。
【０００２】
【背景技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ・ダイオード（ＬＤ）のような半導体発光デバイスは、現在利用可能な光源の中でも最も効率的で頑強なものである。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度ＬＥＤの製造において現在関心がもたれている材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、具体的には、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、及び四元合金と、ＩＩＩ族リン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、及びリンの二元、三元及び四元合金を含む。
【０００３】
従来の半導体発光デバイスによく起こる問題は、こうしたデバイスからの光の抽出効率が、デバイスとそれを取り囲む環境との間の界面における全内反射と、反射された光がその後デバイスの中に再吸収されることとによって、減少することである。こうした全内反射は、デバイスを形成する半導体材料の、デバイスの発光波長における屈折率（例えばＩＩＩ族リン化物材料についてはｎ〜３．５）が、デバイスをその中にパッケージするか又は包み込む通常はエポキシか又はシリコンである材料の屈折率（ｎ〜１．５又はそれ以下）より大きいことによって起こる。全内反射による損失は、デバイスの内部とデバイスの外部との屈折率の比によって急速に増大する。
【０００４】
幾つかの用途には不利点となり得る従来の半導体発光デバイスの別の態様は、こうしたデバイスの発光スペクトルが、通常は、発光半導体デバイスの構造と、該デバイスを構成する材料の組成とによって決定された波長（ピーク波長）において、単一のかなり狭いピーク（例えば約１５から約５０ナノメートルまでの間の半値全幅）を呈することである。幾つかの用途には、従来の発光半導体デバイスによって直接生成することができる広い発光スペクトルが要求される。例えば、幾つかの照明用途には、真っ白な光を生成することが要求される。さらに、従来の発光半導体デバイスの光生成効率は、通常は、狭い発光スペクトルを調整するためにデバイスの構造及び組成を変えるのに伴って変化する。その結果、従来の発光半導体デバイスは、特定の波長で効果的に光を生成することを要求する用途には満足のいくものではない場合がある。
【０００５】
発光半導体デバイスの発光スペクトルを広くするか又はシフトさせるための従来の手法の１つは、こうしたデバイスの発光を用いて蛍光体を励起させることに関係する。ここで用いられる「蛍光体」という用語は、或る波長の光を吸収して、これと異なる波長の光を発光する発光性材料のいずれかのことをいう。例えば、発光半導体デバイスからの青色光は、黄色発光する蛍光体を励起させるのに用いることができる。結果として得られる黄色光は、吸収されなかった青色光と混合されて白色光を生成することができる。半導体発光デバイスからの発光が蛍光体によって別の波長に変換されるような発光デバイスを、通常は「蛍光体変換発光デバイス」と呼ぶ。不運にも、こうした蛍光体変換発光デバイスは、通常は所望されるのに十分なほど効率的なものではない。
必要とされるのは、改善された光抽出性、改善された蛍光体変換性、又はこの両方を備えた発光半導体デバイスである。
【０００６】
【発明の開示】
幾つかの実施形態においては、発光デバイスは、第１光を発光する光源と、第１光に対してほぼ透明であり、第１光の少なくとも一部を受け取るように配置された第１材料と、第１材料中に分散された第２材料の粒子とを含む。第２材料は、第１光の波長において第１材料の屈折率より大きい屈折率を有する。粒子は、この波長より小さい直径をもち、この波長の光を実質的に吸収しない。光源は、例えば発光半導体デバイスとすることができる。
これらの実施形態の発光デバイスはさらに、第１材料中に分散された第３材料の粒子を含むことができる。第３材料の粒子は、第１光の少なくとも一部を吸収して、より長い波長をもつ第２光を発光する。第１材料と第２材料の粒子とが組み合わされて、第１光の波長において第３材料の屈折率にほぼ一致する屈折率をもつ媒体を与えることができる。
【０００７】
幾つかの実施形態においては、発光デバイスは、第１光を発光する光源と、第１光に対してほぼ透明であり、第１光の少なくとも一部を受け取るように配置された第１材料と、第１材料中に分散された第２材料の粒子と、第１材料中に分散された第３材料の粒子とを含む。第２材料は、第１光の波長において第１材料の屈折率より大きい屈折率を有する。第２材料の粒子は、この波長より小さい直径をもつ。第３材料の粒子は、この波長より大きい直径をもつ。光源は、例えば発光半導体デバイスとすることができる。
幾つかの後者の実施形態においては、第２材料の粒子は、第１光の少なくとも一部を吸収して、より長い波長をもつ第２光を発光する。第３材料の粒子も、第１光の少なくとも一部を吸収して、より長い波長をもつ光を発光することができる。第１材料と第２材料の粒子とが組み合わされて、第１光の波長において第３材料の屈折率に近似するか又はほぼ一致する屈折率をもつ媒体を与えることができる。
【０００８】
幾つかの実施形態に係る発光デバイスは、第１光を発光する光源を用意すること、該光源と光学的に連通するように第１材料を設けること、及び第２材料の粒子を第１材料中に分散させることを含む方法によって作製することができる。第１材料は、第１光に対してほぼ透明である。第２材料は、第１光の波長において第１材料の屈折率より大きい屈折率を有する。第２材料の粒子は、この波長より小さい直径をもつ。分散は、第１材料に第２材料の粒子が組み合わされたものが、特定の屈折率をもつ媒体を与えるようにされる。
本明細書に開示する発光デバイスは、従来の発光デバイスに比べて、一次光源からの光抽出性の向上と、蛍光体粒子からの光抽出性の向上と、蛍光体粒子による光散乱の減少を有利に提供することができる。
【０００９】
【発明を実施するための最良の形態】
図面中の寸法は、必ずしも正確に縮尺で表されたものではないことに注意されたい。種々の図面中の同じ参照番号は、種々の実施形態における同じ部分を表す。
発光半導体デバイスと組み合わせてナノ粒子が使用される発光デバイスの幾つかの実施形態を開示する。ここで用いられる「ナノ粒子」とは、典型的には約１ミクロンよりかなり小さい直径（又は直径に類似した断面寸法）をもつ粒子のことをいう。こうしたナノ粒子は、どんな形状であってもよく、例えば結晶又はアモルファス固体或いは液体を含み得る。
【００１０】
本発明者らは、従来の蛍光体変換発光デバイスの効率が、半導体デバイスからの一次発光と蛍光体粒子からの二次発光との両方が蛍光体粒子によって散乱されることにより、著しく低下することを見出した。蛍光体粒子によって散乱された光の一部は、半導体デバイスの吸収部分か又はパッケージ上に散乱して、これにより失われることになる。
蛍光体粒子によるこうした散乱は、蛍光体粒子が通常は一次及び二次発光された光の波長より実質的に大きいことと、こうした波長において蛍光体粒子が通常はそれを取り囲む媒体よりかなり大きい屈折率を有することによって起こる。例えば、従来の蛍光体変換発光デバイスには、通常は、約２ミクロン（μｍ）から約２０μｍまでの直径をもつ蛍光体粒子が使用される。これに対して、可視光は、慣例的に約３８０ナノメートル（ｎｍ）から約７７０ｎｍまでの波長を含むものと定義される。典型的には可視光に対して約１．７から約２．３までの屈折率をもつ、こうした従来の蛍光体粒子は、通常は、こうした波長において約１．５の屈折率をもつエポキシ又はシリコン母材の中に埋め込まれる。こうした状況の下での光散乱を説明する理論は、例えば、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ」（Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｂａｓｓ編、ＭｃＧｒａｗ　ｈｉｌｌ、１９９５年、第６章）に記載されており、該文献は引用によりその全体がここに組み入れられる。
【００１１】
蛍光体変換発光半導体デバイスの効率に対するこうした散乱の影響は、例えば、図１Ａのプロットに示されている。こうしたデバイスにおいては、ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）からの青色発光が、ＬＥＤ上に配置されたシリコン樹脂の中に分散された、ユーロピウムドープ・ストロンチウム・チオガレート蛍光体粒子（約４μｍから約５μｍまでの直径をもつ）によって緑色光に変換される。「青色分率」と表記されたプロットの横軸は、ＬＥＤによって発光され、吸収や変換がなされずに蛍光体変換デバイスの全出力光中に存在した青色光の百分率を表す。シリコン中の蛍光体の体積百分率が増大すると青色分率は減少する。したがって、横軸はまた、樹脂中に装填された蛍光体を表し、蛍光体の装填量は横軸を左から右に進むにつれて減少する。
【００１２】
プロットの左側の縦軸は、蛍光体変換デバイスの全光出力をルーメン（ｌｍ）で表す。「パッケージゲイン」と表記された右側の縦軸は、蛍光体変換デバイスの計測される性能を適合させるために、ＬＥＤと蛍光体の公知の特性に基づく全光出力の理論上の予測値と無視する散乱に掛ける必要があるスケーリング・ファクタを表す。理想的なデバイスは、「パッケージゲイン」が１となる。したがって、右側の縦軸は、蛍光体粒子による散乱がデバイスの性能を低下させる度合いを計測するものである。具体的には、「パッケージゲイン」の低い値は、散乱による損失が増加したことを表す。ダイヤモンド形のデータ点２は、蛍光体の装填量と全光出力との間の関係を示す。四角形のデータ点４は、同様に、蛍光体の装填量と蛍光体粒子による散乱に起因する損失との間の関係を示す。
【００１３】
本発明者らは、図１Ａに示されたデータと、同様の計測の結果から、低屈折率の母材に埋め込まれた大きい蛍光体粒子による散乱に起因する、従来の蛍光体変換発光デバイスにおける損失は、母材中の粒子の体積分率が増大するのに伴い増大することを見出した。同様の計測から、本発明者らはまた、散乱に起因する損失は、蛍光体粒子の屈折率が増大され、蛍光体粒子の体積分率と母材の種類は変わらない場合にも増加することを見出した。典型的には、従来の蛍光体変換発光デバイスの全光パワーの約５０％が、蛍光体粒子によって散乱されその後吸収されることによって失われる。
【００１４】
蛍光体粒子が従来の蛍光体粒子と比較できるサイズをもつ同様の濃度の非吸収粒子に置き換えられた試験デバイスにおいても、約１０％から約２０％までの青色発光が、デバイスの吸収部分の上に散乱することによって失われる。例えば、図１Ｂは、シリコン樹脂中に包み込まれたＩＩＩ族窒化物ＬＥＤからの正規化された青色発光（縦軸）に対する、樹脂中に分散された非吸収性散乱粒子の重量％をプロットしたものである。曲線３は、非吸収性粒子がおよそ５μｍのＢａＳＯ４粒子であるデバイスを表す。曲線５は、非吸収性粒子がおよそ２μｍのＹＯＳ粒子であるデバイスを表す。デバイスのどちらの組においても、青色発光は、包囲体中の粒子の装填量が増加するのに伴い急速に減少する。
【００１５】
本発明者らは、従来の蛍光体変換発光デバイスにおける蛍光体粒子による散乱に起因する著しい損失と、特にその原因は、他者によって注目されていなかったと信じている。
本発明者らは、半導体デバイスからの一次発光と、蛍光体粒子自体からの二次発光との、蛍光体粒子による散乱は、蛍光体粒子のサイズを、一次及び二次発光の波長（例えばピーク波長）を実質的に下回るように減少させることによって、低減させることができることを認識した。例えば、典型的に約１０ｎｍより小さい直径をもち、これにより一次及び二次光の散乱が小さい半導体ナノ結晶又は半導体量子ドットを、ほぼ散乱しない蛍光体として使用することができる。発光半導体デバイスの出力を蛍光体変換するために半導体ナノ結晶と量子ドットを用いることは、米国特許出願第０９／１６７，７９５号と、米国特許出願第０９／３５０，９５６号に開示されており、これらの両方は、引用によりその全体がここに組み入れられる。しかしながら、これらの引用特許出願では、従来の蛍光体変換発光デバイスにおける大きな損失が、大きい蛍光体粒子による散乱に起因することと、その結果、代わりに非散乱蛍光体粒子を用いることによって利点が実現されることが認識されていない。
【００１６】
本発明者らはまた、蛍光体変換発光デバイス中の蛍光体粒子による光の散乱は、蛍光体粒子が埋め込まれる媒体の屈折率を、蛍光体粒子の屈折率にもっと近似するように増加させることによって減らすことができることを認識した。具体的には、本発明者らは、蛍光体粒子を取り囲む媒体の屈折率の所望の増加は、蛍光体粒子が埋め込まれる母材の中に、一次及び二次発光の波長（例えばピーク波長）より小さいナノ粒子を分散させることによって達成可能であることを見出した。ナノ粒子は、母材の屈折率より大きい屈折率をもつように選択される。しかしながら、ナノ粒子は、それらのサイズによって、発光された光を僅かに散乱させる。
【００１７】
高い屈折率のナノ粒子を低い屈折率の母材の中に分散させることによって達成される屈折率の増加は、有効媒体理論の観点において理解することができる。引用によりその全体がここに組み入れられる「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ．　Ｓｉｘｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ」（Ｍａｘ　Ｂｏｒｎ　ａｎｄ　Ｅｍｉｌ　Ｗｏｌｆ、Ｐｒｅｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ、１９８０年、第２章）に記載されているような有効媒体理論は、混合物の光学的及び誘電的特性を、構成成分の特性の観点から説明するものである。混合物の屈折率は、例えば、混合物が、他の材料の非散乱部分を含む母材として扱われる場合には、成分の屈折率の体積加重平均によって良好に概算することができる。こうした条件下では、屈折率ｎｉをもつ体積ｖｌの成分の混合物によって形成された媒体の屈折率ｎは、次式（１）によって与えられる。
【数１】
2004015063.tif 000003
【００１８】
一例として、約１．５の屈折率をもつエポキシ又はシリコン中に分散された約２．３から約２．４までの屈折率をもつ酸化セリウムか又は酸化チタンのような材料のナノ粒子の場合には、式（１）は、混合物中のナノ粒子の体積分率が約０から約０．３５まで変化するのに伴って、混合物の屈折率が約１．５から約１．８まで変化することを表す。こうした混合物の屈折率の上限は、母材中のナノ粒子の分散性と、ナノ粒子と母材の屈折率によって設定される。本発明者らは、例えば、酸化セリウム及び酸化チタンのナノ粒子は、体積分率が約３０％を超えて約４０％までになるようにシリコン中に分散させることができると考えている。したがって、こうした混合物の屈折率は、例えば、典型的には約１．８の屈折率を有する従来のドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体粒子については、混合物中に分散された場合に実質的に光を散乱させないように調整することができる。
【００１９】
本発明者らはまた、発光半導体デバイスからの光抽出は、デバイスから発光された光の波長（例えばピーク波長）より小さいナノ粒子を母材中に分散させて、該混合物を発光半導体デバイスの上に又は周りに配置することによって増加させることができることを見出した。ナノ粒子は、母材より大きい屈折率をもつように選択される。混合物の屈折率の増加によって全内反射に起因する損失が減少するので、光抽出は、母材のみで包み込まれた同様の発光半導体デバイスと比較して増加する。
【００２０】
さらに、本発明者らは、母材中に分散された蛍光体粒子からの光抽出は、蛍光体粒子によって発光される光の波長（例えばピーク波長）より小さいナノ粒子を母材中に分散させることによっても、増加させることができることを見出した。ナノ粒子は、母材より大きい屈折率をもつように選択される。蛍光体粒子からの光抽出は、取り囲む媒体の屈折率の増加により、母材のみの中に分散される蛍光体材料に比べて増加する。同様の理由から、本発明者らは、蛍光体粒子によって発光された光の波長（例えばピーク波長）より小さい直径をもつ蛍光体粒子からの光の抽出が、母材中の粒子の濃度が増加するのに伴って増加することを期待している。
【００２１】
本発明の実施形態に係る、ナノ粒子と組み合わせて使用できる好適な発光半導体デバイスは、この限りではないが、ＩＩＩ族窒化物、ＩＩＩ族リン化物、ＩＩＩ族ヒ化物、及びこれらの組合せから形成されたデバイスを含む。これらのデバイスは、例えば、発光ダイオードか又はレーザ・ダイオードとすることができ、紫外波長、可視波長、又は赤外波長における光を発光することができる。好適な発光半導体デバイスは、例えば、米国特許第６，１３３，５８９号、米国特許第６，２２９，１６０号、及び米国特許出願第０９／４６９，６５７号に開示されており、これら３つの特許は、引用によりその全体がここに組み入れられる。
【００２２】
図２を参照すると、例えば、本発明の実施形態は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮベースのＬＥＤ１０を使用することができる。ＬＥＤ１０は、基板１６上に配置されたバッファ層１４上に配置される多層エピタキシャル構造１２を含む。基板１６は、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素、又はＩＩＩ族窒化物材料から形成することができる。エピタキシャル構造１２は、上側のｐ型ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ領域２０と下側のＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ領域２２との間に配置された活性領域１８を含む。ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ領域２２は、ｎ型の及び／又は非ドープのＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ層を含む。活性領域１８は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮの層から形成された１つ又はそれ以上の量子井戸を含む。ｐ型オームコンタクト２４と金属層２６は、互いに及び上側のＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ領域２０に電気的に接続される。ｎ型オームコンタクト２８は、下側のＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ領域２２に電気的に接続される。コンタクト２４及び２８を横切る適切な順バイアスの印加によって、電子と正孔が活性領域１８に注入される。活性領域１８において電子と正孔が放射再結合することによって光が生成する。別の実施においては、金属層２６は、活性領域１８によって発光される光に対して高い反射性があり、ＬＥＤ１０は、コンタクト２４及び２８がサブマウントに対面するようにフリップ・チップとしてマウントされる。ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮの組成比は、ＬＥＤ１０における種々の層と領域との間で変えることができる。
【００２３】
一実施形態（図３）においては、発光デバイス３０は、反射カップ３４に配置された発光半導体デバイス３２を含む。反射カップ３４はまた、デバイス３２によって発光された光に対してほぼ透明である材料３６を収容する。デバイス３２によって発光された光の波長において材料３６より大きい屈折率をもつナノ粒子３８は、ほぼ透明な材料中に分散される。ナノ粒子は、デバイス３２によって発光された光の波長（例えばピーク波長）より小さい直径をもつように選択され、これにより発光された光を実質的に散乱させない。ナノ粒子３８は、デバイス３２のピーク発光波長の約１／４より小さい直径をもつことが好ましい。例えば、幾つかの実施においては、ナノ粒子３８は、約２ｎｍから約５０ｎｍまでの直径をもち、デバイス３２は、約４００ｎｍより大きい波長をもつ光を発光する。反射カップ３４は、発光半導体デバイス３２によって発光された光を反射して、発光デバイス３０の光学的出力を生成する。後述する他の実施形態においては、図３に示された光学的な蛍光体粒子４０も、材料３６中に分散される。
【００２４】
ここで用いられる「ほぼ透明な」という用語は、デバイス３２によって発光されたピーク波長における光を、吸収又は散乱に起因する一回の通過損失が約２５％より少なく、好ましくは約１０％より少なく、より好ましくは約２％より少ない状態で透過させる材料を指すために用いられる。材料３６は、有機物又は無機物とすることができ、例えば、この限りではないが従来のエポキシ、アクリルポリマー、ポリカーボネート、シリコンポリマー、光学ガラス、カルコゲナイドガラス、スピロ化合物、及びこれらの混合物を含む材料から構成することができる。
【００２５】
幾つかの実施においては、ナノ粒子３８は、デバイス３２によって発光された波長、具体的にはピーク発光波長における光をほぼ吸収しない。「ほぼ吸収しない」及び「ほぼ非吸収性」という句は、ここでは、こうした実施におけるナノ粒子が、包囲体によって透過された光の一回の通過損失が、約３０％より多くまで、好ましくは約２０％より多くまで増加しないようにするのに十分なだけ非吸収性であることを指すのに用いられる。当業者であれば、デバイス３２によって発光された光の、ナノ粒子による吸収に起因する損失は、個々のナノ粒子の吸収断面と、ほぼ透明な材料３６中のナノ粒子の濃度と、ことによるとナノ粒子とそれを取り囲む材料との間の相互作用とに依存することを理解されるであろう。こうした実施に好適なナノ粒子は、この限りではないが、金属酸化物、窒化物、ニトリドシリケート、及びこれらの混合物のナノ粒子を含むことができる。好適な金属酸化物は、この限りではないが、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、及びこれらの混合物を含むことができる。例えば約２ｎｍから約１０ｎｍまでの範囲のサイズをもつ、こうした金属酸化物のナノ粒子は、例えば、ドイツのフランクフルト／マイン所在のＤｅｇｕｓｓａ−Ｈｕｌｓ　ＡＧ社から入手可能である。こうした実施に好適なナノ粒子はまた、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、及びこれらの二元及び四元混合物のようなＩＩ−ＶＩ族半導体のナノ粒子と、ＩＩＩ族窒化物、ＩＩＩ族リン化物、及びこれらの混合物のようなＩＩＩ−Ｖ族半導体のナノ粒子を含むことができる。こうした半導体ナノ粒子は、米国特許出願第０９／１６７，７９５号と米国特許出願第０９／３５０，９５６号に開示されるようなサイズ調整可能な吸収スペクトルをもつ。したがって、半導体ナノ粒子のサイズは、ナノ粒子がデバイス３２によって発光された波長においてほぼ吸収しないように選択することができる。
【００２６】
他の実施においては、ナノ粒子３８は、発光半導体デバイス３２によって発光された一次光の少なくとも一部を吸収し、吸収した光より長いか又は短い波長の二次光を発光する。したがって、これらの実施においては、ナノ粒子３８は蛍光体として働く。こうした実施に好適なナノ粒子は、この限りではないが、ナノ粒子が一次光の一部を吸収するように選択されたサイズをもつ、上記に列挙されたＩＩ−ＶＩ族及びＩＩＩ−Ｖ族材料のナノ粒子を含むことができる。
【００２７】
幾つかの実施においては、ナノ粒子３８は、従来の蛍光体変換発光デバイスを作製するのに用いられ、かつ当業者には周知である従来の混合技術によって材料３６中に分散させることができる。例えば、ナノ粒子をシリコン材料中に分散させるために、従来の３つのロールミルを使用することができる。他の実施においては、例えば、ガラス製造分野では一般的な方法を用いて、ガラスを溶融状態まで加熱し、ナノ粒子をパウダーとして添加し、この混合物を攪拌することによって、ナノ粒子をカルコゲナイドガラス及び光学ガラス中に分散させることができる。さらに、幾つかの半導体ナノ粒子は、着色ガラス・フィルタの製造に使用される従来のガラス製造技術によってガラスの中に成長されるか又は合成されることを、当業者であれば認識するであろう。
【００２８】
幾つかの実施においては、材料３６中のナノ粒子３８の体積分率（濃度）は、材料にナノ粒子３８が組み合わされたものが、特定の屈折率をもつ媒体を与えるように選択することができる。所望の屈折率を与えるのに必要とされる材料３６中のナノ粒子３８のおおよその体積分率は、上記に説明されたような有効媒体理論を用いて求めることができる。材料３６中のナノ粒子３８の体積分率は、特定の所望の屈折率をもつ混合物を与える体積分率を求めるために、算出された値の付近で変えることができる。
【００２９】
幾つかの実施においては、材料３６中のナノ粒子３８の体積分率は、約２０％から約６０％まで変えることができる。シリコン中の酸化セリウム又は酸化チタンナノ粒子の例について上記に説明したように、材料３６にナノ粒子３８が組み合わされたものは、例えば、発光半導体デバイス３２からの一次発光のピーク波長において約１．６より大きい、好ましくは約１．８より大きい屈折率をもつ媒体を与えることができる。
当業者であれば、材料３６とナノ粒子３８は、種々の公知の方法によって反射カップ３４中に配置できることを認識するであろう。
【００３０】
ナノ粒子３８と材料３６との混合物の屈折率を増大させることによって、デバイス３２と材料３６との界面における全内反射に起因する損失が減少するので、発光半導体デバイス３２からの光抽出は、材料３６の中に包み込まれた同様の発光デバイスに比べて有利に増加させることができる。このデバイス３２からの光抽出の増加は、発光された光の散乱を増加させることなく達成することができる。
【００３１】
さらに、ナノ粒子３８は、半導体発光デバイス３２からの一次発光の全て又は一部を有利に蛍光体変換して、発光デバイス３０からの所望の全発光を与えることができる。例えば、ナノ粒子３８と、材料３６中のナノ粒子の体積分率は、蛍光体変換発光デバイスを作製するのに用いられる従来の方法によって、ナノ粒子３８からの発光が、デバイス３２からの吸収されなかった発光と組み合わされて、白色光を与えるように選択することができる。必要であれば、例えば、発光デバイス３０の要素のいずれかの表面を粗くすることにより、デバイス３２からの一次発光と、ナノ粒子３８からの二次発光との混合を促進することができる。
【００３２】
別の実施形態（さらに図３参照）においては、材料３６中に付加的な蛍光体粒子４０が分散される。典型的には、蛍光体粒子４０は、発光半導体デバイス３２によって発光された光の波長において材料３６より大きい屈折率をもつ。蛍光体粒子４０は、デバイス３２によって発光された光をほぼ吸収しないナノ粒子３８と組み合わせるか、又はデバイス３２によって発光された光の一部を吸収して二次光を発光するナノ粒子３８と組み合わせて、材料３６中に分散させることができる。
【００３３】
幾つかの実施においては、蛍光体粒子４０は、デバイス３２によって発光された光の波長（例えばピーク波長）より大きい直径をもつ。こうした実施に適した蛍光体粒子は、この限りではないが、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、硫黄置換された没食子酸塩、非置換没食子酸塩、硫黄置換アルミン酸塩、非置換アルミン酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩（例えばニトリドシリケート）、セレン化物、硫化物、及びこれらの混合物からなる材料粒子を含む。これらの材料は、例えば、この限りではないが、セリウム及びユーロピウムイオンを含む希土類イオンをドープする（希土類イオンによって活性化する）ことができる。蛍光体粒子４０はまた、当業者には公知の他の通常の蛍光体材料も含むことができる。
【００３４】
他の実施においては、蛍光体粒子４０は、発光半導体デバイス３２によって発光された光の波長（例えばピーク波長）より小さい直径をもつ。こうした実施に好適なナノ粒子は、この限りではないが、ナノ粒子が一次光の一部を吸収するように選択されたサイズをもつ、上記に列挙されたＩＩ−ＶＩ族及びＩＩＩ−Ｖ族材料のナノ粒子を含むことができる。蛍光体粒子４０はまた、有機染料分子とするか又は有機染料分子を含むことができる。
蛍光体粒子４０は、上述のような従来の技術によって、ナノ粒子と組み合わせて材料中に分散させることができる。蛍光体粒子４０と、材料３６中の蛍光体粒子の体積分率は、蛍光体変換発光デバイスを作製するのに用いられる従来の方法によって、発光デバイス３０が、例えば白色光のような所望の出力発光スペクトルを与えるように選択することができる。
【００３５】
材料３６単独のときと比べて、ナノ粒子３８と材料３６との混合物の屈折率が増加することにより、蛍光体粒子４０による光の散乱を有利に減少させ、蛍光体粒子４０からの光の抽出を増加させることができる。具体的には、混合物の屈折率が蛍光体粒子４０の屈折率に近似すると、蛍光体粒子によって散乱される光がゼロに向けて減少し、蛍光体粒子からの光抽出が最適化される。幾つかの実施においては、ナノ粒子３８と材料３６中のナノ粒子の体積分率の選択は、上記で説明したものと同様の有効媒体理論によって誘導することができる。例えば、シリコンと酸化セリウム又は酸化チタンナノ粒子との混合物の屈折率は、ＹＡＧベースの蛍光体粒子の屈折率に、約１０％から約２％まで又はそれより良好に適合するように、上述のように調整することができる。
【００３６】
他の実施においては、ナノ粒子３８と材料３６との混合物の屈折率か又は蛍光体粒子４０のサイズは、蛍光体粒子４０による所望の光散乱量が与えられるように調整することができる。例えば、幾つかの実施においては、混合物の屈折率は、蛍光体粒子４０による光の散乱が、発光半導体デバイス３２と、蛍光体粒子４０と、（随意的に）ナノ粒子３８とによって発光された光の混合を容易にするのに必要とされる最小レベルに設定される。
【００３７】
別の実施形態（図４）においては、発光デバイス４２は、反射カップ３４の中に配置された発光半導体デバイス３２と、デバイス３２の１つ又はそれ以上の表面上に配置された材料３６の層４４を含む。ナノ粒子３８と、随意的に蛍光体粒子４０は、材料３６中に配置される。材料３６と、ナノ粒子３８と、蛍光体粒子４０は、例えば、発光デバイス３０（図３）について上述した組み合わせのいずれにおいても与えることができる。同様に、発光デバイス４２の中へのナノ粒子３８の組み入れは、上述の利点のいずれをも与えることができる。
層４４は、例えば、通常のスプレー法、スクリーン印刷法、及び浸漬法によって堆積させることができる。１つの実施においては、層４４は、引用によりその全てがここに組み入れられる米国特許出願第０９／６８８，０５３号に記載されるようなステンシル法によって適用されたコンフォーマル層とすることができる。
【００３８】
別の実施形態（図５の発光デバイス４６）においては、材料３６は、例えば、図示のようにレンズ（又は他の光学要素）状に形成されるか、又はレンズか若しくは他の光学要素の形状にされた中空のシェルの中に与えられ、発光デバイス３２の周りに配置される。材料３６と、ナノ粒子３８と、（随意的な）蛍光体粒子４０は、例えば、上述の組み合わせのいずれにおいても与えることができる。材料３６は、当業者には馴染みのある通常のカプセル封じ法を用いて、レンズか又は他の形状に形成することができる。ナノ粒子３８によって与えられる利点と上記のことに加えて、発光デバイス４６のレンズ形状の部分は、全内反射による損失を減らし、リフレクタ３４と組み合わせて、発光デバイス４６の光学出力を生成する。
【００３９】
別の実施形態（図６の発光デバイス４８）においては、レンズか又は他の光学要素５０が、材料３６の層５２によって、発光半導体デバイス３２に取り付けられる。ナノ粒子３８と（随意的に）蛍光体粒子４０は、例えば、上記の組み合わせのいずれにおいても材料３６中に分散させることができる。１つの実施においては、材料３６は、比較的低い融点をもつ高屈折率ガラスであり、光学要素５０は、例えば、引用によりその全体がここに組み入れられる米国特許出願第０９／６６０，３１７号に開示されるようなウエーハ結合法によって、層５２を備えた発光半導体デバイス３２に結合される。この引用特許出願はまた、層５２の材料３６として用いるのに好適な付加的な材料と、光学要素５０を有利に形成することができる材料を開示している。発光半導体デバイス３２からの光抽出は、光学要素５０を、比較的高い屈折率をもつ材料から形成することによって有利に増大させることができる。
【００４０】
図７は、幾つかの実施形態に係るパッケージされた発光デバイスの分解図である。本明細書に記載された発光デバイスのいずれかとすることができる発光デバイス５４か、又はこうした発光デバイスの発光半導体デバイス部品は、放熱スラグ５８に、直接に又は熱伝導性のあるサブマウント５６を介して間接的にマウントされる。スラグ５８は、リフレクタ３４（図３−図５）に加えて、又はこれに代わるものとして、随意的な反射カップ６０を含むことができる。スラグ５８は、インサート成形されたリードフレーム６２の中に入れられる。インサート成形されたリードフレーム６２は、例えば、発光デバイス５４に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材入りプラスチック材料である。レンズ６４か又は他の光学要素を付加することができる。レンズ６４は、図５及び図６に示されたレンズに加えるか又はこれに代わるものとすることができる。
【００４１】
本発明を特定の実施形態について説明したが、本発明は、特許請求の範囲の請求項の範囲内に含まれる全ての変形及び修正を含むように意図されている。例えば、ナノ粒子は、発光半導体デバイス以外の光源によって与えられた光の、蛍光体粒子による散乱を低減させ、こうした光源からの光抽出を改善するために、上述のように使用することができる。代替的な光源は、例えば、レーザ、通常の白熱灯、及び蛍光灯を含む。
さらに、ナノ粒子３８と（随意的に）蛍光体粒子４０を含む材料３６は、図面には発光半導体デバイス３２の上に直接配置されるように示されているが、他の実施形態においては、材料３６は、デバイス３２から離して配置することもできる。例えば、幾つかの実施形態においては、材料３６は、引用によりその全体がここに組み入れられる米国特許第５，９５９，３１６号に開示されるような透明なスペーサ層によってデバイス３２から離間することができる。さらに、図３−図５に示された実施形態の各々はリフレクタ３４を含むが、他の幾つかの実施形態は、こうしたリフレクタを含まない。幾つかの実施形態に使用されたレンズはドーム形状で示されているが、こうしたレンズは、他の形状をとることができ、或いは、例えばマイクロレンズ・アレイとして実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】樹脂中におよそ５ミクロンの蛍光体粒子の体積分率の関数としての、蛍光体変換発光デバイスの性能を示すプロットである。
【図１Ｂ】樹脂中に分散された非吸収性散乱粒子の重量％の関数としての、樹脂で包み込まれた発光ダイオードの性能を示すプロットである。
【図２】幾つかの実施形態に使用される発光ダイオードの概略図である。
【図３】幾つかの実施形態に係る、発光半導体デバイスの周りに配置される材料中にナノ粒子が分散された発光デバイスの概略図である。
【図４】幾つかの実施形態に係る、発光半導体デバイスの周りに配置される材料層中にナノ粒子が分散された発光デバイスの概略図である。
【図５】幾つかの実施形態に係るレンズの形状にされた材料中にナノ粒子が分散された発光デバイスの概略図である。
【図６】幾つかの実施形態に係る、光学要素を発光半導体デバイスに取り付ける材料層中にナノ粒子が分散された発光デバイスの概略図である。
【図７】幾つかの実施形態に係るパッケージの中に組み込まれる発光デバイスの分解図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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