(57)【要約】【課題】透明基板に成長した発光器具の光出力を増強すること【解決手段】  片側にLED構造が形成され、反対側に透明層が形成された透明基板を発光器具において、透明層の屈折率は基板の屈折率より大きい。更に、当該発光器具には、反射側壁と発光表面を含むパッケージカップが含まれ、当該パッケージカップには透明基板と基板に形成された基板透明層を含むLEDが設置されている。反射側壁はパッケージカップの中心に位置する第１の部分とパッケージカップの周囲に位置する第２の部分を有する。第１の部分により、透明層からの光は第２の部分に反射され、さらに、第２の部分により、光はパッケージカップの発光表面に反射される。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光器具において、
第1の表面とそれと反対側の第2の表面を含む透明基板と、
基板の第1の表面に形成された発光構造と、
基板の第2の表面に形成された透明層とを有し、
前記基板の第2の表面は粗化され、かつ前記透明層の屈折率は前記基板の屈折率より大きいことを特徴とする発光器具。
【請求項２】
前記透明層の屈折率は前記基板の屈折率より少なくとも5％大きいことを特徴とする請求項1記載の発光器具。
【請求項３】
前記透明層の屈折率は前記基板の屈折率より少なくとも10％大きいことを特徴とする請求項1記載の発光器具。
【請求項４】
基板の第2の表面は粗化され、粗化の平均平方根値が50ナノメートル以上であることを特徴とする請求項1記載の発光器具。
【請求項５】
前記透明層の表面は粗化され、粗化の平均平方根値が50ナノメートル以上であることを特徴とする請求項1記載の発光器具。
【請求項６】
前記基板の第2の表面に透明層が成長し、当該透明層が、ITO、SiNx、GaN、AlGaN、AlN、ZnO、ダイヤモンド、TiO2又はSiCのいずれかからなることを特徴とする請求項1記載の発光器具。
【請求項７】
前記透明層がITOからなり、前記基板がサファイア、AlN、GaN、又はInAlGaNからなることを特徴とする請求項6記載の発光器具。
【請求項８】
前記透明層は円錐体の形状をなす表面を有し、かつ前記基板の第2の表面に粘着されていることを特徴とする請求項1記載の発光器具。
【請求項９】
基板の側壁にも透明層が形成されていることを特徴とする請求項1記載の発光器具。
【請求項１０】
発光器具において
反射傾斜側壁と発光面を含み、一定の形状を有するパッケージカップと、
透明基板と、基板の第1の表面に形成された発光構造と、当該基板の第2表面に形成された透明層を有し、パッケージ媒質によりパッケージカップ内に包まれた発光ダイオード（LED）とを有し、
前記傾斜反射側壁はパッケージカップの中心に位置する第1の部分及びパッケージカップの周囲に位置する第2の部分を含み、前記第1の部分により、光は透明層から前記第2の部分に反射され、次いで、さらに当該第2の部分により、光は当該パッケージカップの発光面に反射されることを特徴とする発光器具。
【請求項１１】
前記傾斜反射側壁の第1の部分は円錐体又は頂端の除去された円錐体の形状をなすことを特徴とする請求項10記載の発光器具。
【請求項１２】
前記透明層から射出される光が前記第1の部分の傾斜反射側壁と約45度の角を形成することを特徴とする請求項10記載の発光器具。
【請求項１３】
前記傾斜反射側壁の前記第2の部分が逆様になり、頂端が除去された円錐体であることを特徴とする請求項10記載の発光器具。
【請求項１４】
前記LEDの前方から射出される光が前記第2の部分の傾斜反射側壁と約45度の角を形成することを特徴とする請求項10記載の発光器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光器具に係り、具体的には、光学密度の高い材料によるコーティング基板を有する発光器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、技術的及び経済的優位性のため、固体光源、例えば発光ダイオード（LED）は、次第に従来の光源に取って代わっている。従来の光源とは異なり、固体光源は固体材料の中に光を生成し、通常、この固体材料の屈折率nは2以上であり、空気及び自由区間における屈折率（n=1）より相当大きい。たとえば、窒化ガリウムを基礎とした可視光発光ダイオードにおいて、インジウムの成分により、発光媒質であるInGaNの可視スペクトルにおける屈折率は2.46以上であり、これは、全反射及びそれに関連する臨界角により定義される出射円錐体の物理的制限の関係で、InGaNに生成した光のうち、わずか一部のみが光学密度の高い媒質から自由空間に射出できることを意味する。従来の薄層の窒化ガリウムLED構造について、光の出力の制限を改善する方法が全く採用されていなければ、InGaNに生成した光のうち、約8％のみが自由空間に射出される。
【０００３】
これを鑑みて、例えば、表面粗化（例えば、全反射を低下させるための米国特許第7,422,962号，第7,355,210号）、LEDチップの側壁の作り直し（例えば、出射円錐体の数を増加するための米国特許第7,652,299号，第6,229,160号）、及び光子結晶粒の埋め込み（例えば、特定の波長の自発光効率及び光出力を増強するための米国特許第5,955,749号，第7,166,870号，第7,615,398号，第7,173,289号，第7,642,108号，第7,652,295号，第7,250,635号）のような複数の改善法が提案されている。これ以外に、光学密度の高い媒質から光学密度の低い媒質への光の出力効率を増強するもう1つの方法として、屈折率漸変（GRINと略称）層を挿入する方法が知られている。従来の文献において、GRIN層の平均屈折率は光学密度の高い媒質より小さいが、光学密度の低い媒質の屈折率より大きく、しかも、その屈折率は光学密度の高い媒質から光学密度の低い媒質までの方向に次第に逓減するので、隣接する層の間には大きな光出射臨界角が得られることが記載されている。米国特許第7,483,212号にはGRINが例示されている。
【０００４】
従来のLEDでは、光は主に1つの表面から射出され、基板まで射出された光は通常基板の表面又は裏面に設けられた反射鏡により上表面まで反射されるか、あるいはフリップチップLEDにおいて、P電極に届いた光は反射性のP電極により反射され、チップから射出される。前記文献、例えば米国特許第7,119,375号と第6,861,281号には基板に反射鏡を作るという方法が記載されている。また、反射性のP電極の製造法において、米国特許第7,714,340号が参照できる。さらに、米国特許第7,687,813号には、光は1つの主出射面のみならず、LEDエピタキシャル層が位置する平面に平行する方向からも自由空間まで射出されるようなパッケージ設計が言及されている。
【０００５】
前記GRIN方法、例えば米国特許第7,483,212号では、スネルの法則（Snell's  law）に従って、光伝導方向において屈折率を次第に低くすることで、光の入射角を臨界角より小さくすることができる。これにより、全反射を防止する。通常、この方法では、必要な発光効率を得るために4以上の境界面が含まれるため、製造工程は複雑になってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第7,422,962号公報
【特許文献２】米国特許第7,355,210号公報
【特許文献３】米国特許第7,652,299号公報
【特許文献４】米国特許第6,229,160号公報
【特許文献５】米国特許第5,955,749号公報
【特許文献６】米国特許第7,166,870号公報
【特許文献７】米国特許第7,615,398号公報
【特許文献８】米国特許第7,173,289号公報
【特許文献９】米国特許第7,642,108号公報
【特許文献１０】米国特許第7,652,295号公報
【特許文献１１】米国特許第7,250,635号公報
【特許文献１２】米国特許第7,483,212号公報
【特許文献１３】米国特許第7,119,375号公報
【特許文献１４】米国特許第6,861,281号公報
【特許文献１５】米国特許第7,714,340号公報
【特許文献１６】米国特許第7,687,813号公報
【特許文献１７】米国特許第7,483,212号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明により、新たな方法が開示され、その目的は透明基板に成長した発光器具の光出力を増強することである。しかも、出光効率を増加するためには二つの境界面のみで十分である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明により固体発光器具の発光効率を向上させる方法が提案されている。ある実施態様において、発光器具の発光表面はコーティング層を被覆されるか、あるいは透明な光学密度の高い媒質層と接する。当該光学密度の高い媒質層の屈折率は固体発光器具の発光面の屈折率より少なくとも10％高い。不可避のフレネル反射損失（Fresnel loss）のため損失する光以外に、すべての光が発光面から光学密度の高い媒質に入射されるように、光学密度の高い媒質と発光面の屈折率の差を適切に選択する。光学密度の高い媒質層の表面に対して幾何設計により、光学密度の高い媒質における光を更に自由区間又はパッケージ媒質に入射させる。
【０００９】
本発明のある実施態様は、透明基板と基板に成長した発光機構を含む発光器具であって、発光機構の光学密度が基板より高く、なお、基板の裏面には光学密度の高い媒質層が被覆し、当該光学密度の高い媒質層はパタンニング又は粗化表面を有してもよく、基板の裏面にもパタンニング又は粗化表面を有してもよい。
【００１０】
本発明のある実施態様は、透明基板と基板に成長した発光機構を含む発光器具であって、発光機構の光学密度が基板より高く、発光機構と反対側の基板の裏面は発光効率を向上させるために光学密度の高い媒質と接する。
【００１１】
本発明のある実施態様は、透明基板と基板に成長した発光機構を含む発光効率が増強された発光器具であって、発光機構の光学密度が基板より高く、基板の裏面には発光効率を向上させるための光学密度の高い媒質が被覆し、さらに当該発光器具は、発光機構の表面から射出された光を集めるように、最良化された内反射鏡を有する光学素子又はパッケージを含み、発光機構、基板及び光学密度の高い媒質は光学素子又はパッケージに内設され、光は発光機構からエピタキシャル層の平面に垂直な方向に沿って自由空間へ射出される。
【００１２】
本発明のある実施態様は、発光機構が成長した第1の面と、それと反対側にあり、透明層が成長し、かつ表面が粗化された第2の面を有する基板を含む発光器具であり、透明層の屈折率は基板の屈折率より大きく、少なくとも5%又は10%大きいことが好ましい。また、基板の第2の面の粗化平均平方根値は50ナノメートル以上である。また、透明層の表面の粗化平均平方根値は50ナノメートル以上であることが好ましく、ITO、SiNx、GaN、AlGaN、AlN、InAlGaN、ZnO、ダイヤモンド、TiO2又はSiCからなることがさらに好ましく、透明層がITOからなり、基板がサファイアからなることが最も好ましい。透明層は円錐体形状の表面を有し、かつ基板の第2面に設けられる。また、基板の側壁にも透明層を設けることが好ましい。
【００１３】
本発明のある実施態様は、発光器具は、反射傾斜側壁と発光面を有するパッケージカップと、パッケージカップのパッケージ媒質により包まれたLEDを含む。当該LEDは透明基板と、基板の第1の面に形成された発光機構と、基板の第2の面に形成された透明層を含み、反射傾斜側壁はパッケージカップの中心に位置する第1の部分及びパッケージカップの周囲に位置する第2の部分を含み、第1の部分により、光は透明層から第2の部分に反射され、次いで、さらに第2の部分により、届いた光はパッケージカップの出射表面に反射される。反射傾斜側壁の第1の部分が円錐体又は頂端の除去された円錐体の形状をなすことが好ましい。透明層から射出される光が第1の部分の反射傾斜側壁と45度の角を形成することが好ましい。第2の部分が反転した（頂端が除去された）円錐体形状をなすことが好ましい。LED側壁から射出される光が第2の部分の反射傾斜側壁と45度の角を形成することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図1は本発明の1つの実施形態におけるLEDの横断面を示す図である。
【図２】図2は本発明の1つの実施形態におけるLEDの横断面を示す図である。
【図３】図3は本発明の1つの実施形態におけるLEDの横断面を示す図である。
【図４】図4は本発明の1つの実施形態におけるLEDの横断面を示す図である。
【図５】図5は本発明の1つの実施形態におけるパッケージLEDの横断面を示す図である。
【図６】図6は本発明の1つの実施形態におけるパッケージLEDの横断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
添付した図面は本発明をよりよく理解するためのもので、以下の説明とあわせて本発明の主旨を説明する本発明の一部であると理解されるべきである。図面における異なる数字は本発明における各箇所の異なる構成要件を示し、一つの層は同一の機能を有する1組の層を表示することができる。
【００１６】
図1は本発明の1つの実施形態におけるLEDデバイスの横断面を示す図である。基板10にはLED構造1が形成され、LED構造1に対して基板10が生成する光は透明なものであり、GaNを基礎としたLEDにおいて、基板10がサファイア、GaN、AlN、InAlGaN、SiC、ZnO及び類似する材料であることが好ましい。LED構造1が任意の従来から知られているLED構造であってもよい。図1中のLED構造1は、基板10に成長したN型層20、P型層40、及びN型層20とP型層40の間に挟まれた発光層30を含む。P型層40には蒸着により透明電流拡大層42を形成し、標準フォトエッチング工程により、N型層20上に陰極51を形成し、そして電流拡大層42に陽極52を形成する。発光層30は単一のInGaN層又はGaN/InGaNマルチ・クォンタム・ウエル（MQW）であり、N型層20とP型層40はそれぞれケイ素をドープしたGaN層及びマグネシウムをドープしたGaN層であってもよく、透明電流拡大層42は金属酸化物、例えばITO及びZnOからなってもよい。基板10の裏面及び側壁には透明層18が形成され、透明層18の材料は基板10より光学密度の高い材料からなり、これは透明層18の屈折率が基板10の屈折率より大きいことを意味する。これにより、層30から基板10へ射出される光の、透明層18と基板10との境界における全反射をなくす。基板10の屈折率（nsub）と層18の屈折率（ntran）との差は5％以上（即ち（nsub−ntran）/ nsub≧5％）であり、好ましくは10%以上である。ある実施形態において、基板10がサファイア（n=1.76）であり、透明層18の材料は、ITO（n=2.1）、SiNx（n=2.1-2.3）、GaN（n=2.46）、AlGaN（n=2.2-2.46）、AlN（n=2.2）、InAlGaN、ZnO（n=2.05）、ダイヤモンド（n=2.4）、TiO2（n=2.5）、SiC（n=2.7）及び類似する材料から選択することができる。光の層18からチップパッケージ媒質への全反射を最も低くできるように、透明層18の表面が粗化又はパタンニング化されることが好ましい。層18とパッケージ媒質の屈折率との差に応じて、表面測量器具、例えば原子力顕微鏡を用いて測量する際に、粗化のRMS（平均平方根）値が50ナノメートル以上であり、好ましくは200ナノメートル以上であり、更に好ましくは200〜300ナノメートルの間にあるか、又は500ナノメートルに至る。層18の粗化表面の微視的な特徴が逆様になっているミニピラミッド又は円錐体であることが最適である。
【００１７】
基板10にLED構造1を形成する前又は後に、電子ビーム堆積、スパッタリング又は化学気相成長法により層18を形成することができる。ある実施形態において、有機金属気相成長（MOCVD）により基板10にLED構造1を形成した後、フォトレジストを介してLED構造を保護する。基板10の他の部分は裏面及び側面を含み、電子ビーム堆積チャンバーにおいてITO気相に一定時間の間露出させる。層18の表面粗化は湿式化学エッチング又は結合プラズマ乾式エッチングによりあらかじめ設定されたパターンを形成することにより実現できる。
【００１８】
ある実施形態において、層18は基板にLED構造を形成する前に形成できる。この場合、基板10をMOCVD炉に入れ、その裏面を投入される反応物に向け、エピタキシャル成長のための面（即ち表面）を下に向ける。適切な有機金属の流量を選択することで、層18、例えばGaN 又はAlGaN又は AlN層を基板の裏面に堆積することができる。また、堆積の温度と時間を制御することにより、層18の粗化を制御することができる。堆積温度は400〜1100℃の間であり、好ましくは500〜1000℃の間であり、更に好ましくは600〜800℃の間である。上記のようにすることで、基板10の裏面に粗化された窒化物層を得る。
【００１９】
層18の厚さはLED構造1の発光波長より大きく、0.2μm以上であり、好ましくは0.5μm以上であり、例えば0.4〜2.0μmの間にある。
【００２０】
上述の実施形態において、N型層20は基板10に成長する。逆に、基板10にはP型層も成長することができ、その後、その裏に発光層とN型層を成長する。
【００２１】
他の実施形態において、層18の代わりに、例えば図2に示す一定の形状を有する透明材料体18´を用いることができる。透明材料体18´はZnO、サファイア、SiC、GaN及び類似する、基板10より屈折率が高い材料からなることができる。発光効率を増強するために、その表面が粗化されることが好ましい。透明材料体18´の形状が逆様になっているピラミッド又は円錐体であることが好ましく、その底面と傾斜面との間の角度188が(π／２−θc)以上であるか又はθc以下であることが好ましい。θcは光が透明材料体18´からそのパッケージ媒質へ射出される臨界角であり、透明材料体18´は粘着剤、例えばエポキシ樹脂により基板10の裏面に粘着されている。
【００２２】
図3に示す他の実施形態において、基板10と層18の境界面も発光効率の向上のために粗化されている。基板10の裏面は任意の既知の従来法により粗化できる。
【００２３】
図4は本発明の1つの実施形態に基づくフリップチップLEDであり、当該LEDは図1におけるLED構造と類似し、透明ベース13にフリップチップ実装されている。当該透明ベースはガラス、石英、サファイア、透明プラスチック及び類似する材料から選択でき、その上には一対の金属電極133と134が形成され、頂部電極と半田又は金バンプ60を介してLEDチップと接続され、また底部電極を介して外部電源と接続されている。図4に示すように、電極133と134はそれぞれ金属を充填したホールを介して接続され、基板10には表面が粗化された光学密度の高い透明層18が被覆している。また、透明導電層42の表面が粗化されるか又はパタンニングされた表面であることが最適である。チップ全体はベースとLEDチップ間の隙間を含む。仕上がりのパッケージ工程において、シリコン樹脂又はエポキシ樹脂により密封することにより、発光効率を向上させる。
【００２４】
上述の実施形態において、少なくとも二つの主平面を介して光を射出する。図5と図6に開示されているのは、発光層から生成する光から収集した後、光をパッケージ100と200の表面から矢印の指している方向に沿って射出するような二種のパッケージ設計であり、本発明に記載のLEDチップ2又は任意の従来のLEDチップのパッケージ100と200を含み、それぞれ透明基板、パッケージ媒質80、電極台90とチップパッケージカップ75を有する。パッケージ100において、チップパッケージカップ75に搭載された本発明に記載のLEDチップ2は、パッケージ媒質80例えばシリコン樹脂又はエポキシ樹脂により包まれ、LEDチップ2の陰極51と陽極52はそれぞれ導線511と522を介して電極台90と接続されている。チップパッケージカップ75は光反射に有利な内側がつやだし処理された金属アルミニウムからなってもよく、光反射に有利な内側アルミニウム又は銀めっきされたプラスチックからなってもよい。チップパッケージカップ75に形成されたパッケージ媒質80は発光表面801を有し、そして、チップパッケージカップ75は傾斜の反射側壁70を有する。反射側壁70は、LEDチップ2からの光を側壁70を介して、LEDチップ2に戻すことなく、発光表面801に反射するように任意の適用可能な形状を有することができる。図5と6の横断面図において、チップパッケージカップ75の下部の反射側壁70は「W」形状を有する。これにより、LEDチップ2からの光を、LEDチップ2の発光表面に垂直な方向に沿って上に向けて発光表面801に反射する。ここで、傾斜側壁70は「W」の異なる部分において傾斜直線に相当する。必要に応じて、発光表面801へ向けて射出される光を集めるか又は逸らすように、「W」の異なる部分には突起又は凹んだ曲線形状を採用することができる。LEDチップ2からの光を、反射側壁70により、LEDチップ2に戻すことなく、発光表面801に反射するように、「W」の三つの頂点に位置するチップパッケージカップ75の反射側壁70の頂角αとβを適当に選択し、例えば頂角αとβを90度付近にする。
【００２５】
総じていえば、傾斜反射側壁70は二つの部分を含み、第1の部分は中心区域であり、第2の部分は周囲区域である。第1の部分により、LEDチップ2の裏面の光は第2の部分に反射され、更に第2の部分により、光は図5と6に示す発光表面801に反射される。LEDチップの裏面からの光をよりよく反射及び伝送するために、LEDチップ2を反射側壁70の第1の部分内に設置することが望ましい。このようにすれば、LEDチップ2から下に向けて射出される光は、反射側壁70の第1の部分内に入る。透明層18から射出される光と第1の部分の反射側壁70との間の角度α1が45度ぐらいにあることが好ましく、LEDチップ2の側壁から射出される光と第2の部分の反射側壁70との間の角度β1が45度ぐらいにあることが好ましい。LEDチップ2の光は発光表面801に有効的に反射及び伝送されることさえできれば、α1、β1、α及びβは任意の値であってもよく、また、LEDチップ2の光は発光表面801に有効的に反射及び伝送されることさえできれば、チップパッケージカップ75と傾斜反射側壁70は任意の形状を有してもよい。例えば、傾斜反射側壁70の中心に位置する第1の部分は、円錐体又はピラミッドの形状を有する。これにより、LEDチップ2の裏面の光を、周囲区域に位置する逆様に設置された、頂端の除去された円錐体の形状、又は逆様に設置された、頂端の除去されたピラミッド形状の第2の部分に反射し、その後、当該逆様に設置された、頂端の除去された円錐体の形状をなす第2の部分により、更に光は発光表面801に反射される。傾斜反射側壁70の第2の部分により、LEDチップ2の側壁から横向きに射出される光を直接に発光表面801に反射することが好ましい。
【００２６】
図5において、チップパッケージカップ75の中心区域の傾斜反射側壁の第1の部分はLEDチップ2の裏面の透明層18と直接に接触していない。図6において、傾斜反射側壁70は、頂端の除去された円錐体の形状又は頂端の除去されたピラミッド形状の第1の部分を有し、また、LEDチップ2は傾斜反射側壁70の第1の部分の頂部に位置する。さもなければ、図6の構造は図5の構造と同じになる。
【００２７】
本発明について、上述の複数の実施形態を用いて説明したが、本発明は上述の実施形態に限られず、各種の変形又は類似する構造もカバーできる。したがって、特許請求の範囲はすべての変形例又は類似する構造を含むと理解されるべきである。
【符号の説明】
【００２８】
１    LED構造
２    LEDチップ
１０  基板
１８  透明層
７０  反射側壁
７５  チップパッケージカップ
８０  パッケージ媒質
【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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