(57)【要約】【課題】  燐光体変換半導体発光装置を提供する。【解決手段】  ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されて第１の波長の光を放射するように構成された発光層を含む半導体発光装置は、従来のセリウムドープガーネット燐光体よりも広い励起スペクトルを有するセリウムドープガーネット燐光体と組み合される。いくつかの実施形態では、この燐光体は、約４モル％と約８モル％の間のセリウム濃度を有する。【選択図】          図３
2005311373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型領域とｐ型領域の間に配置され、第１の波長の光を放射するように構成された発光層を含む半導体発光装置と、
約４モル％と約８モル％の間のセリウム濃度を有するセリウムドープガーネット燐光体と、
を含むことを特徴とする構造。
【請求項２】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、約６モル％のセリウム濃度を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、及び０＜ｂ≦０．１の場合に、（Ｌｕ1-x-y-a-bＹxＧｄy）3（Ａｌ1-zＧａz）5Ｏ12：ＣｅaＰｒbであることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+であることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項５】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、前記第１の波長の光を吸収するために配置され、該第１の波長の光を吸収して第２の波長の光を放射することができることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記第１の波長は、青色であり、前記第２の波長は、緑色から黄色に及ぶ範囲であることを特徴とする請求項５に記載の構造。
【請求項７】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、第１の波長変換材料であり、
前記第１の波長及び前記第２の波長の一方の光を吸収し、該第２の波長よりも長い第３の波長の光を放射することができる第２の波長変換材料、
を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の構造。
【請求項８】
前記第３の波長は、赤色であることを特徴とする請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記第２の波長変換材料は、０＜ｘ≦１の場合の（Ｃａ1-xＳｒx）Ｓ；Ｅｕ2+、ＣａＳ：Ｅｕ2+、ＳｒＳ：Ｅｕ2+、０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１の場合の（Ｓｒ1-x-yＢａxＣａy）2-zＳｉ5-aＡｌaＮ8-aＯa：Ｅｕz2+、及びＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+のうちの１つであることを特徴とする請求項７に記載の構造。
【請求項１０】
前記半導体発光装置は、ＩＩＩ族窒化物発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項１１】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、前記発光装置の上面及び側面にコーティングされることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項１２】
前記発光装置と電気的に接続した一対のリードと、
前記発光装置の上に配置されたレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項１３】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、前記発光装置と前記レンズの間に配置されたカプセル材料に分散されることを特徴とする請求項１２に記載の構造。
【請求項１４】
前記セリウムドープガーネット燐光体は、前記発光装置から間隔を空けて配置されることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、燐光体変換半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む発光装置は、光スペクトルの特定領域においてピーク波長を有する光を生成することができる公知の半導体素子である。ＬＥＤは、一般的に、照明器、指示器、及びディスプレイとして使用される。スペクトルの青色から紫外線範囲においてピーク波長付近の比較的狭い帯域で光を効率的に発光することができるＩＩＩ族窒化物材料システムに基づくＬＥＤは既に開発されている。青色光から紫外線までの光は、可視光の他の色に比べて高い光エネルギを有するので、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤによって生成されたこのような光は、より長い波長を有する光を生成するように容易に変換することができる。第１のピーク波長を有する光（一次光）は、ルミネセンスとして公知の処理を用いて、より長いピーク波長を有する光（二次光）に変換することができることが当業技術で公知である。ルミネセンス処理は、光輝性燐光体材料による一次光の吸収を伴い、これが、燐光体材料の原子を励起して二次光を放射する。二次光のピーク波長及びその付近の波長の帯域（簡単には、波長）は、燐光体材料に依存することになる。燐光体材料の種類は、特定のピーク波長を有する二次光を生じるように選択することができる。
【０００３】
シミズ他に付与された米国特許第５，９９８，９２５号は、「白色発光ダイオードであって、半導体を発光層として使用する発光成分と発光成分によって発せられた光の一部を吸収して吸収光と異なる波長の光を放射する燐光体とを含み、発光成分の発光層は、窒化化合物半導体であり、燐光体は、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、及びＳｍから成る群から選択された少なくとも１つの元素と、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎから成る群から選択された少なくとも１つの元素とを含む、長期間に亘って光輝度で使用された時でさえも発光特性の劣化が少ない、セリウムで活性化されたガーネット蛍光材料を含むことを特徴とするダイオード」を教示している。米国特許第５，９９８，９２５号の要約を参照することができる。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，９９８，９２５号
【特許文献２】米国特許第６，６９６，７０３号
【特許文献３】米国特許第６，６５０，０４４号
【特許文献４】米国特許第６，５７６，４８８号
【特許文献５】米国特許出願出願番号第１０／６７８，５４１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燐光体変換半導体発光装置の様々な問題を克服する新しい燐光体変換半導体発光装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置された発光層を含む半導体発光装置は、従来のセリウムドープガーネット燐光体よりも広い励起スペクトルを有するセリウムドープガーネット燐光体と組み合わされる。いくつかの実施形態では、燐光体は、約４モル％と約８モル％の間のセリウム濃度を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
米国特許第５，９９８，９２５号で説明されている燐光体の１つであるＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+には、燐光体変換ＬＥＤにおいて広範囲の用途がある。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+におけるＣｅ3+ドーパントのモル％は、一般的に約２％付近である。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+のこのような組成は、広い黄色の帯域で光を放射する。図１は、２モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12の励起及び発光スペクトルを示す。しかし、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の使用は、特に高駆動電流及び高温で作動する「高電力」装置においては、以下で説明する問題を呈する。
【０００８】
Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+は、狭い励起スペクトルを有し、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+をポンピングするために使用するＬＥＤの波長を厳しく制御する必要がある。ＬＥＤによって発せられた波長は、一般的にウェーハ毎に異なるので、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の狭い励起スペクトルにより、燐光体と共に使用するのに適するＬＥＤの数は少なくなる。
狭い励起スペクトルは、特にＩＩＩ族窒化物ＬＥＤがより高い電力で作動する時に問題である。ＩＩＩ族窒化物装置の放射波長は、作動電流密度が大きくなる時に短い波長の方に、また、ＬＥＤの作動温度が大きくなる時に長い波長の方にシフトする傾向がある。Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の励起スペクトルが狭いので、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+をポンピングするために使用される装置の放射波長のシフトが小さくても、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の吸収及びそれからの発光の量が大幅に少なくなる可能性がある。極端な場合には、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+は、装置の放射波長のシフトが大きい時に光を全く発しない場合がある。ＬＥＤによって発せられた光と燐光体によって発せられた光が混ざり合って複合光を作る白色照明装置などの装置においては、ＬＥＤ内の駆動電流及び作動温度が大きくなり、かつＬＥＤの放射波長がシフトする時に、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+からの発光量が、望ましくないことであるが減少し、潜在的に、望ましくないことであるが、複合光の色温度及び色レンダリング指数を変える場合がある。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、従来のＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+よりも広い励起スペクトルを有するセリウムドープガーネット燐光体の組成物が導入される。
第１の実施形態では、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の励起スペクトルは、燐光体内のＣｅ3+ドーパントの濃度を大きくすることによって広げられる。上述のように、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+燐光体は、従来的には、約２モル％のＣｅ3+ドーパント濃度、つまり、例えば４５０ｎｍで光を放射するＬＥＤによってポンピングされた時の８０％吸収といった良好な吸収をもたらす濃度を有する。本発明人は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+のようなガーネット燐光体内のＣｅ3+ドーパント濃度が大きくなる時に励起スペクトルが広くなることを認めた。励起スペクトルは、約４モル％のＣｅ3+濃度で広くなり始める。Ｃｅ3+濃度が大きくなる時に、最終的には濃度の抑制が認められる。濃度抑制が始まる濃度は、ガーネットホスト材料の純度に依存するであろう。ホスト材料が純粋であるほど、濃度抑制が発生するＣｅ3+濃度は高くなる。図２は、本発明の第１の実施形態による２モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12と６モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12の励起スペクトルを示す。
【００１０】
本発明人は、励起スペクトルを広げるだけでなく、Ｃｅ3+濃度も大きくすると、望ましくないことであるが、燐光体変換ＬＥＤの作動温度が大きくなる時に燐光体の効率が低下することを認めた。図５は、室温における発光強度に対する任意の温度での発光強度を示す。図５に示すように、２００℃では、６モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+は、室温２５℃での強度の８０％で光を放射する。
高度にＣｅ3+ドープされたＹ3Ａｌ5Ｏ12は、特に、白色光を必要とする用途に有用である。従来のＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+の狭い励起スペクトルは、結合スペクトルにおいて、ポンプＬＥＤの発光と燐光体の発光との間にギャップをもたらす。励起スペクトルを広げると、少なくとも部分的にスペクトルギャップを埋めることができる波長の光を放射するポンプＬＥＤを使用することができ、これは、潜在的に、装置によって発せられた複合光の色レンダリングに好ましい影響を与える。
【００１１】
上述の第１の実施形態においては、ガーネットホストＹ3Ａｌ5Ｏ12について具体的に説明したが、上述のＣｅ3+濃度は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、及び０＜ｂ≦０．１である場合に、一般式（Ｌｕ1-x-y-a-bＹxＧｄy）3（Ａｌ1-zＧａz）5Ｏ12：ＣｅaＰｒbを有するガーネット燐光体に適用することができることは理解されるものとする。
上述の広い励起スペクトルのセリウムドープガーネット燐光体は、例えば、放電ランプと発光ダイオード及びレーザダイオードのような青色及び紫外線発光半導体発光装置とを含む、燐光体を励起することができる波長を有する光を放射する任意の光源との使用に適するものである。図３及び図４は、上述の実施形態で説明した燐光体を組み込んだ２つの燐光体変換半導体発光装置を示す。図３においては、セリウムドープガーネット燐光体層４４は、基板４２の上に形成されたｎ型領域４０と、活性領域３８と、ｐ型領域３６とを含む発光ダイオードを覆う。接点３４は、ｎ型及びｐ型領域上に形成され、次に、発光ダイオードは、裏返されて相互接続３２によりサブマウント３０に電気的及び物理的に接続される。発光装置は、フリップチップである必要はなく、光が基板を通してではなく半導体装置層を通して装置から抽出されるような向きに配置することができる。
【００１２】
燐光体層４４は、例えば、電子ビーム蒸発、熱蒸発、ｒｆ−スパッタリング、化学蒸着、又は原子層エピタキシにより薄膜として、又は、例えば、スクリーン印刷や米国特許第６，６５０，０４４号で説明されているようなステンシルにより、又は米国特許第６，５７６，４８８号で説明されているような電気泳動堆積によりＬＥＤ上の共形層として堆積させることができる。薄膜は、米国特許第６，６９６，７０３号においてより詳細に説明されている。米国特許第６，６９６，７０３号、米国特許第６，６５０，０４４号、及び米国特許第６，５７６，４８８号の各々は、本明細書において引用により組み込まれている。典型的に単一の大きな燐光体粒子として挙動する薄膜とは対照的に、共形層の燐光体は、一般的に、複数の燐光体粒子として挙動する。更に、薄膜には、一般的に燐光体以外に含まれる材料はない。共形層は、例えばシリカのような燐光体以外の材料を含むことが多い。
【００１３】
図４は、セリウムドープガーネット燐光体を組み込む装置の第２の実施形態を示す。図４の装置は、基部２５によって支えられて電気的にリードに接続され、任意的にサブマウント（図示せず）上に取り付けられた発光ダイオード２４を含むパッケージ化された発光ダイオードである。レンズ２２は、発光ダイオード２４を保護する。先の実施形態で説明したようなセリウムドープガーネット燐光体は、レンズ２２と発光ダイオード２４の間の空間に注入されるカプセル材料２６に分散させることができる。カプセル材料は、例えば、シリコーン、エポキシ、又は燐光体を組み込むのに適切であり、一次光発光装置に接着する任意の他の有機又は無機材料とすることができる。
【００１４】
図３及び図４に示す装置のいくつかの実施形態では、セリウムドープガーネット燐光体を１つ又はそれ以上の付加的な波長変換材料と混合される。このような装置を使用して白色光を作り出すか、又は、未変換ＬＥＤ又は単一波長変換材料では達成し難い色の光を作り出すことができる。発光ダイオードによって発せられた光により、又は、他の波長変換材料の１つによって発せられた光により、各波長変換材料をポンピングすることができる。いくつかの実施形態では、上述のセリウムドープガーネット燐光体を赤色発光燐光体及び青色発光ダイオードと組み合わせて使用して白色光を生成することができる。適切な赤色発光燐光体の例は、例えばＣａＳ：Ｅｕ2+及びＳｒＳ：Ｅｕ2+を含む０＜ｘ≦１の場合の（Ｃａ1-xＳｒx）Ｓ；Ｅｕ2+と、例えばＳｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+を含む０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１の場合の（Ｓｒ1-x-yＢａxＣａy）2-zＳｉ5-aＡｌaＮ8-aＯa：Ｅｕz2+とを含む。
【００１５】
図３及び図４に示す装置においては、燐光体は、ＬＥＤの近くに配置される。図６は、第２の用途、つまり、燐光体が１つ又はそれ以上のＬＥＤから間隔の空いた表示装置を示す。図６に示す装置については、本明細書において引用により組み込まれている、２００３年１０月３日出願の「二次元アレイＬＥＤを使用するＬＣＤバックライト」という名称の米国特許出願出願番号第１０／６７８，５４１号により詳細に説明されている。
【００１６】
図６は、ＬＣＤディスプレイの側面図を示す。ＬＥＤ２４のアレイは、バックライト２６の後部パネル上に設けられている。バックライト２６は、拡散カバープレート４０で覆われている。拡散装置４０は、例えば、光を拡散させるための粗面を有するアクリル又はガラスで製造される。代替的に、拡散装置４０は、アクリル又はガラスシートと共に光散乱粒子を有することができる。多くの種類の拡散装置が公知であり、バックライト２６と共に使用することができる。バックライト２６の光出力が拡散装置がなくても十分に拡散機能がある場合には、拡散装置４０の代わりに透明板を使用してもよい。例えば３Ｍによって製造される例えば「輝度強化フィルム」及び「二重輝度強化フィルム」のような輝度又は効率を大きくするための付加的な薄膜（図示せず）を、ＬＣＤの直前に拡散装置の上に使用することができる。
【００１７】
バックライト２６の背面及び側壁は、反射率の高い材料で覆われる。白色拡散反射フィルム（例えば、日本の東レ製のＥ６０Ｌ）が背部にあり、鏡面反射材料（例えば、ドイツのＡｌａｎｏｄ製のＭｉｒｏ材料）が側壁にある状態で良好な結果が既に得られているが、他の構成でも同様に機能する。使用する材料は、高い反射係数、好ましくは、＞９０％を有するべきである。これらの反射率の高い材料を使用することにより、高い再利用効率が達成される。これは、上述のような「輝度強化フィルム」を使用する時に特に重要なことであり、それは、これらのフィルムが、第１のパスでは使用することができずに第２又は第３のパスの間にＬＣＤの出力に寄与するために再利用する必要のある光を反射するからである。
【００１８】
ＬＣＤパネル１４は、バックライト２６の前に置かれている。ＬＣＤパネル１４は、第１の偏光フィルタと、液晶層の選択された区域に亘って電界を作り出すための薄膜トランジスタアレイと、液晶層と、ＲＧＢカラーフィルタアレイと、第２の偏光フィルタとを有する従来のＬＥＤとすることができる。カラーフィルタアレイは、赤色、緑色、及び青色のサブピクセルを有する。ＬＣＤパネル１４とバックライト２６の間には、輝度強化フィルム（ＢＥＦ）又は偏光回復フィルム（ＤＢＥＦ）のような付加的なフィルムを用いることができる。
【００１９】
ＬＥＤ２６は、一般的に青色又は紫外線発光ＬＥＤである。単独又は他の燐光体と組み合わせた上述のセリウムドープ燐光体のいずれかを含む燐光体層３９は、ＬＥＤ２６上に直接ではなく、カバープレート４０上に形成される。いくつかの実施形態では、異なる燐光体層がカバープレート４０の異なる表面上に形成される。カバープレート４０は、燐光体によって実行される拡散の量により、拡散装置としてもよく、そうでなくてもよい。ＬＥＤ２６から間隔の空いた燐光体層３９は魅力的であり、それは、燐光体からバックライト２６の後部に発せられる光が、バックライト２６に使用されるフィルムの高い反射率のために、ＬＥＤチップの中に入るものよりも大きな再利用効率を有するからである。再利用効率に加えて、燐光体は、ＬＥＤ近くの高温に耐える必要がなく、また、ＬＥＤとの化学的親和性を有する必要もないので、可能な適切な燐光体の数を増大し、潜在的に装置の効率及び寿命を向上させる。物流管理の観点からも、このソリューションは同じく魅力的であり、それは、青色のバックライトは、異なる種類のカラーフィルタを使用して広範囲の異なるディスプレイに使用することができ、また、燐光体層の厚み及び燐光体濃度のみを特定のＬＣＤに適合するように最適化すればよいからである。
本発明を詳細に説明したので、当業者は、本発明の開示により、本明細書で説明した本発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に対して修正を為し得ることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図示及び説明した特定的な実施形態に限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】２モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12燐光体の励起及び発光スペクトルを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による２モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12と６モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12の励起スペクトルを示す図である。
【図３】燐光体変換半導体発光装置の第１の例の断面図である。
【図４】燐光体変換半導体発光装置の第２の例の断面図である。
【図５】温度の関数として６モル％Ｃｅ3+ドープＹ3Ａｌ5Ｏ12の発光強度を示す図である。
【図６】本発明の実施形態によるディスプレイを示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
３４  接点
３６  ｐ型領域
３８  活性領域
４０  ｎ型領域
４２  基板
４４  セリウムドープガーネット燐光体層
【図１】
2005311373.tif 000003
【図２】
2005311373.tif 000004
【図３】
2005311373.tif 000005
【図４】
2005311373.tif 000006
【図５】
2005311373.tif 000007
【図６】
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