(57)【要約】【課題】  本発明は、デバイスから放射された光の極一部が波長変換材料によって変換される半導体発光デバイスを提供する。【解決手段】  本構造は、半導体発光デバイスと波長変換層を含んでいる。波長変換層は、半導体発光デバイスから放射される光の一部を変換する。半導体発光デバイスと波長変換層からの結合光の主波長は、デバイスから放射される光の波長と基本的に同じである。波長変換層は、デバイスから放射される光のスペクトル光源効率を上回るスペクトル光源効率を有する光を放射する。従って、本構造は、波長変換層の無いデバイスよりも高い発光効率を有する。【選択図】          図１
2005136420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ピーク波長を有する第１光を放射することができる半導体発光デバイスと、
前記半導体発光デバイスの上に重なっている、第２ピークの波長を有する第２光を放射することができる波長変換層と、を備えており、
前記半導体発光デバイスと前記波長変換層により放射される結合光の色は、前記第１光の色と基本的に同じであることを特徴とする構造。
【請求項２】
前記結合光のスペクトル純度は、約５０％より大きいか、又はそれに等しいことを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記結合光のスペクトル純度は、約９０％より大きいか、又はそれに等しいことを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記結合光は、前記第１ピーク波長に対応する第１ピークと、前記第２ピーク波長に対応する第２ピークとを備えた発光スペクトルを有しており、
前記第２ピークの高さは、前記第１ピークの高さの約１０％未満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】
前記結合光は、前記第１ピーク波長に対応する第１ピークと、前記第２ピーク波長に対応する第２ピークとを備えた発光スペクトルを有しており、
前記第２ピークの高さは、前記第１ピークの高さの約１％未満であ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ピーク波長は、約４００ｎｍから約４８０ｎｍの間にあることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記第１ピーク波長は、約４２０ｎｍから約４６０ｎｍの間にあることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記第２ピーク波長は、約５００ｎｍから約６２０ｎｍの間にあることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項９】
前記第２光のスペクトル光源効率は、前記第１光のスペクトル光源効率の２倍を上回ることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記半導体発光デバイスは、ｎ型領域とｐ型領域の間に挟まれている活性領域を備えており、前記活性領域はＡｌxＩｎyＧａzＮで構成され、ここに０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１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】
前記波長変換層は、前記第１光を吸収した結果として、前記第２光を放射できることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項１２】
前記半導体発光デバイスは、
ｎ型領域とｐ型領域の間に挟まれている活性領域と、
前記活性領域によって放射された光を吸収した結果として、第１光を放射できる波長変換層と、を備えており、
第２光を放射できる前記波長変換層は、前記第１光を吸収した結果として、前記第２光を放射できることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項１３】
前記半導体発光デバイスは、
ｎ型領域とｐ型領域の間に挟まれている活性領域と、
前記活性領域によって放射された光を吸収した結果として、第１光を放射できる波長変換層と、を備えており、
第２光を放射できる前記波長変換層は、前記活性領域によって放射された光を吸収した結果として、前記第２光を放射できることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項１４】
前記波長変換層は燐光体を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項１５】
前記燐光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ＋Ｃｅ、ＳｒＧａＳ：Ｅｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、ＣａＳ：Ｃｅ＋Ｍｎ、（Ｓｒ、Ｌｉ）ＳｉＯ：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｓｒ）ＳｉＯ：Ｅｕ及びＳｒＳｉＮ：Ｅｕから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項１４に記載の構造。
【請求項１６】
前記燐光体は、約１ミクロンから約１０ミクロンの間の厚さを有していることを特徴とする、請求項１４に記載の構造。
【請求項１７】
前記波長変換層は、更にケイ酸塩を含んでいることを特徴とする、請求項１４に記載の構造。
【請求項１８】
前記波長変換層は、約５ミクロンから約５０ミクロンの間の厚さを有していることを特徴とする、請求項１７に記載の構造。
【請求項１９】
前記波長変換層は染料を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項２０】
前記染料は、クマリン６、フルオロル７ＧＡ，ローダミン１１０及びルモゲンから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項１９に記載の構造。
【請求項２１】
前記半導体発光デバイスに電気的に接続されている第１及び第２リード線と、
前記波長変換層の上に重なっているレンズと、を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
【請求項２２】
発光デバイスを作る方法において、
ｎ型領域、ｐ型領域、及び、前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に配置されている、第１波長を有する第１光を放射することのできる活性領域と、を含んでいる複数の半導体層を形成する段階と、
第２波長を有する第２光を放射することのできる波長変換材料の層を前記活性領域の上に重ねて配置する段階と、から成り、
前記活性領域と前記波長変換層によって放射される結合光の主波長は、前記第１波長と基本的に同じであることを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記波長変換材料の層を活性領域の上に重ねて配置する段階は、前記複数の半導体層の内の１つの上に燐光体層を付着させ、成長基板を前記複数の半導体層に接着させる段階を含んでいることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記波長変換材料の層を活性領域の上に重ねて配置する段階は、
前記複数の半導体層の上にレンズを重ねて配置する段階と、
前記レンズと前記複数の半導体層との間の空間を、前記波長変換材料と混ぜ合わされた封入材料で満たす段階と、を含んでいることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスから放射された光の極一部が波長変換材料によって変換される半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光源の発光効率は、ワット当たりのルーメンで表され、光源が電力を光束又は輝度にどれほど効率的に変換するかの尺度である。所与の輝度に対し、発光効率が高いデバイスは、発光効率が低いデバイスよりも少ない電力しか必要としない。従って、発光効率が高いデバイスは、所与の輝度で作動させるのに、発光効率が低いデバイスほど経費が掛からない。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，８４７，５０７号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態によれば、発光構造は、半導体発光デバイスと波長変換層を含んでいる。波長変換層は、デバイスから放射される光の一部を変換する。デバイスと波長変換層からの結合光の主波長は、デバイスから放射される光の波長と基本的に同じである。波長変換層は、デバイスから放射される光のスペクトル光源効率を上回るスペクトル光源効率を有する光を放射する。従って、本構造は、発光効率が、波長変換層を備えていないデバイスよりも高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の或る実施形態によれば、発光ダイオードのような半導体発光デバイスの発光効率は、発光デバイスから放射される光の極一部の波長を変換することによって高められる。発光デバイスにより放射される光の一部の波長は、蛍光材料、量子ドット、又は燐光体の様な波長変換材料によって、より高いスペクトル光源効率を有する波長に変換される。発光デバイスと波長変換材料から放射される結合光は、発光デバイスからの光と基本的に同じ色（即ち、同一の主波長）であるが、スペクトル光源効率は高い。
【０００６】
スペクトル光源効率は、様々な色の光に対する人間の平均的な網膜感度で、光学ワット当たりのルーメンで表される。図２は、光のスペクトル光源効率を可視スペクトルの波長の関数として示している。約５５５ｎｍの波長を有する黄緑色の光は、最高のスペクトル光源効率を有している。青色光と赤色光は、比較的低いスペクトル光源効率を有している。本発明の実施形態では、発光デバイスからの光のピーク波長は、約４００から約４８０ｎｍの波長範囲にあり、通常は約４２０−４３０ｎｍから約４６０ｎｍである。波長変換材料によって放射される光のピーク波長は、約５００から約６２０ｎｍの波長範囲ｂにある。波長変換材料によって放射される光の量は、結合光の色にさほど影響を与えない程度に少ないので、波長変換材料によって生成される光の色はあまり問題ではない。一般的に、発光デバイスと波長変換材料は、波長変換材料から放射される光が、発光デバイスから放射される光のスペクトル光源効率の２倍を上回るか、それに等しいスペクトル光源効率を有するように選択される。更に、波長変換材料は、発光デバイスからの光の、波長変換材料からの光への変換が、エネルギーにおける下方向変換であるように選択される。
【０００７】
波長変換材料によって変換される光の部分は、最終的な光のスペクトルの純度への影響が最小となるほどに小さい。図３は、色度図である。色度グラフのエッジ沿いの色は純粋色であり、純粋色は１００％のスペクトル純度を有することを意味している。赤色、緑色及び青色を結合させて白色を作る場合、赤色、緑色及び青色のソースのスペクトル純度が高いほど、高純度ソースの結合によって生成することのできる色の割合は大きくなる。半導体発光デバイスは、一般的にスペクトル純度の高い光を生成する。波長変換材料は、結合光が色度グラフのエッジ近くにくるように選択され、デバイス内に組み込まれる。結合光は、約５０％を上回るか、それに等しいスペクトル純度を有しており、一般的に約９０％を上回るか、それに等しいスペクトル純度を有している。
【０００８】
波長変換層として用いられる、プラセオジムとセリウムでドープ処理されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）燐光体を備えたフリップチップＩＩＩ窒化物発光デバイスの例は、以下のように考えられる。しかしながら、図２の波長範囲で光を放射できる適切な発光デバイスであれば、どの様なものでも使用できる。例えば、フリップチップＩＩＩ窒化物発光デバイスに加えて、ＩＩＩリン化物デバイス、他の材料システムのデバイス、エピタキシーアップ方位のデバイス、及び、向かい合う両側に接点が形成されているデバイスを使用してもよい。或る種の実施形態では、発光デバイス自体が波長変換発光デバイスであり、例えば、紫外線光を吸収し図２の波長範囲の光を放射する燐光体層と結合した紫外線光を放射するデバイスである。そのような実施形態では、２つの波長変換材料、即ち、デバイスからの光を吸収し範囲ａの光を放射する第１波長変換材料と、デバイスからの光を吸収するか、或いは第１波長変換材料からの光を吸収することの何れかによって範囲ｂの光を放射する第２波長変換材料とを、１つの層内に混ぜ合わせてもよいし、デバイスから放射される光の経路内で多数の別々の層に形成してもよい。
【０００９】
波長範囲ａからの光でポンプされるとき、又は、範囲ａの光が追加の波長変換材料によって生成される場合はより短い波長源からの光でポンプされるとき、図２の波長範囲ｂのピーク波長を有する光を放射することのできる適切な波長変換材料であれば、どの様な材料でも範囲ｂのピーク波長を有する光を生成するのに用いることができる。例えば、ＰｒとＣｅでドープ処理されたＹＡＧに加えて、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＳｒＧａＳ：Ｅｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、ＣａＳ：Ｃｅ＋Ｍｎ、（Ｓｒ、Ｌｉ）ＳｉＯ：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｓｒ）ＳｉＯ：Ｅｕ及びＳｒＳｉＮ：Ｅｕ燐光体を使用してもよいし、クマリン６、フルオロル７ＧＡ、ローダミン１１０及びＢＡＳＦから入手可能なルモゲン染料を使用してもよい。適切な染料の例は、米国特許第５，８４７，５０７号に詳細に記載されており、同特許を参考文献としてここに援用する。或る種の実施形態では、デバイスが高温で作動できるように、波長変換材料が優れた熱安定性を示すのが望ましい。
【００１０】
図１は、本発明の或る実施形態による発光ダイオードを示している。図１に示すダイオードは、ｎ型領域１２を基板１０上に蒸着させることによって形成されている。発光又は活性領域１４はｎ型領域１２上に形成されており、ｐ型領域１５は活性領域１４上に形成されている。ｎ型領域１２、活性領域１４及びｐ型領域１５は、化学式ＡｌxＩｎyＧａzＮを有しており、ここに０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。ｎ型領域１２、活性領域１４及びｐ型領域１５は、それぞれ、同一又は異なる組成、厚さ及びドーパント濃度を有する１つの層、又は多重層である。ｐ型領域１５と活性領域１４の一部は取り除かれ、ｐ型領域１５の残り部分とｎ型領域１２の露出部分には、接点１６が形成される。次にチップが、サブマウント１８上に裏返しにされ、相互接続１７によって取り付けられる。チップ上には、ＹＡＧ：Ｃｅ＋Ｐｒ又はＹＡＧ：Ｃｅの燐光層１９が蒸着される。
【００１１】
燐光体層１９は、活性領域から放射される光の色が実質的に変わるほど多くの光を変換する意図はないので、燐光体層１９は、例えば、白色光を放射するよう意図されているデバイスの燐光体層より燐光体が少なくなければならない。燐光体層で正確な量の光を変換するように燐光体層１９内の燐光体の量を制御するには、幾つかの方法がある。図１に示す実施形態では、発光デバイスダイの上部と側面に燐光体の共形の被覆が付着され、次に燐光体の大部分が発光デバイスダイの上部から削ぎ落とされ、ダイの上部に燐光体の薄い層２０が残り、ダイの側面に厚い層１９が残る。側面の層１９の厚さは、例えば２５ミクロンで、上部層２０の厚さは、例えば約５ミクロンである。
【００１２】
他の実施形態では、約１から約１０ミクロンの間の範囲の厚さを有する燐光体の均一な薄い層を、例えば、スクリーン印刷、ステンシル又は電気泳動塗装を含む何れかの適切な技法で付着させる。他の実施形態では、ケイ酸塩と混ぜ合わされた燐光体か、又は他の金属酸化物及び／又は金属窒化物の適切な混合物の均一な厚い層を、何れかの適切な技法によって付着させる。燐光体の均一な厚い層は、約５から約５０ミクロンの間の範囲の厚さにある。散乱による損失を最小にするために、ケイ酸塩は、その屈折率が、パッケージ内でダイの上に重なっている封入材の屈折率と一致するように選択される。ケイ酸塩に対する燐光体の割合は、ダイから放射される光の適切な部分が燐光体によって変換されるように制御されている。別の実施形態では、発光デバイスのダイは、一部分だけが燐光体層で覆われている。ダイ全体を被覆し、次に、燐光体被覆の部分をリソグラフィ段階で取り除いて、小型の造形を作ってもよいし、ダイの回りに燐光体のリングを形成してもよい。更に別の実施形態では、燐光体は、ダイと反射器カップ又はレンズの間の空間を満たすのに用いられるエポキシ又はシリコンのような封入材料内に拡散される。或る種の実施形態では、燐光体がダイに隣接しており、別の実施形態では、燐光体は、他の材料によってダイから分離されている。
【００１３】
波長変換材料が燐光体ではなく染料である実施形態では、染料は、発光デバイスのダイに付着させるジェルに組み込まれる。代わりに、染料を、発光デバイスのダイに重なるレンズの内側又は外側表面に組み込んでもよいし、レンズを形成している材料に組み込んでもよい。
【００１４】
或る例では、図１に示しているデバイスが、約４５１．５の波長を有する青色光を放射する。ダイによって放射される光の座標（０．１６、０．０２）を、図３の色度図に示している。青色光は、ＹＡＧ：Ｃｅ＋Ｐｒ燐光体をポンプし、座標（０．４４、０．５３）を有する黄色光を放射する。青色光の部分を黄色光に変えることによって、青色点と黄色点の間の連絡線に沿う座標を有するデバイスを作ることができる。本例では、ダイの上部に付着させた厚い燐光体層の大部分を取り除いてデバイスを作ったので、デバイスは、座標（０．１７、０．０３）を有する光を放射する。青色光のスペクトル光源効率は約２５ｌｍ／Ｗであるが、少量の黄色光は、約５００ｌｍ／Ｗのスペクトル光源効率を有しているので、結果として、燐光体変換の無い青色デバイスでの３．９ｌｍから本例の６．１ｌｍ／Ｗまで、発光効率が６０％増加する。スペクトル純度は、燐光体変換の無い青色デバイスの１００％から、本例の９５％まで低下した。
【００１５】
図４Ａは、本発明の或る実施形態による燐光体層を組み込んでいるデバイスの発光スペクトルを、燐光体変換の無い青色デバイスと比べて示している。図４Ｂは、図４Ａのスペクトルの下部を示している。デバイスｂは燐光体層を含んでおり、デバイスａは含んでいない。図４Ａではっきり分かるように、２つのデバイスは、殆ど同じ発光スペクトルを有している。燐光体層の存在は、デバイスの主波長に影響を与えない。デバイスｂの燐光体層からの発光により生じた小さいピークは、図４Ｂではっきり示されている。燐光体発光から生じたピークは、約２．８ｘ１０-4の高さを有している。ダイからの発光によって生じたピークは、約３．３ｘ１０-2の高さを有している。従って、燐光体ピークの高さは、ダイ発光ピークの高さの１％未満である。他の実施形態では、燐光体ピークの高さは、ダイ発光ピークの高さの１０％未満である。
【００１６】
図５は、パッケージされた発光デバイスの分解組み立て図である。放熱スラグ１００は、インサート成形リードフレーム１０５内に配置されている。インサート成形リードフレーム１０５は、例えば、電気経路を提供する金属リード線１０６の回りに成形されている充填プラスチック材料である。スラグ１００は、随意の反射器カップ１０２を含んでいてもよい。上記デバイスの何れかである発光デバイスダイ１０４は、直接、又は熱伝導サブマウント１０３を通して間接的に、スラグ１００に取り付けられている。光学レンズ１０８を加えてもよい。
【００１７】
以上、本発明について詳しく説明してきたが、当業者には理解頂けるように、本開示に基づいて、本明細書に記載されている本発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に修正を施すことができる。従って、本発明の範囲は、図示し説明した特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の或る実施形態を示している。
【図２】光のスペクトル光源効率を波長の関数として示す図である。
【図３】本発明の或る実施形態を示す色度図である。
【図４Ａ】本発明の或る実施形態の発光スペクトルを示している。
【図４Ｂ】本発明の或る実施形態の発光スペクトルを示している。
【図５】梱包されている発光デバイスを示している。
【符号の説明】
【００１９】
１０        基板
１２        ｎ型領域
１４        活性領域
１５        ｐ型領域
１６        接点
１７        相互接続
１９、２０  燐光体
１００      放熱スラグ
１０２      反射器カップ
１０５      インサート成形リードフレーム
１０６      金属リード線
１０８      光学レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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