(57)【要約】【課題】  ＵＶ線、特にＵＶＣ線に対して透明な安定した封止剤の欠如を克服するＵＶ  ＬＥＤによって光子取出し効率を効果的に高める【解決手段】  有機封止剤の層が紫外（ＵＶ）線発光半導体ダイの表面上に設けられ、封止剤の少なくとも一部がＵＶ光に曝露され、封止剤の前記部分の少なくとも一部が非化学量論的シリカ材料に変換する。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含み、非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子パーセントより小である。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明装置のアセンブリおよび焼き付けする方法であって、
紫外（ＵＶ）線放出半導体ダイの表面全体に有機封止剤の層を与える工程と、
非化学量論的シリカ材料に前記封止剤の部分の少なくともいくらかを変換するために、封止剤の少なくとも前記一部を曝露する工程と、を備え
前記非化学量論的シリカ材料はケイ素、酸素、および炭素を含み、前記非化学量論的シリカ材料の炭素組成は、１ｐｐｍより大で、かつ４０原子パーセントより少ない、方法。
【請求項２】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素組成が、１原子パーセントより大である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素組成が、３０原子パーセントより少ない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素組成が、２０原子パーセントより少ない、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体ダイの反対側の封止剤上に硬質レンズを配置する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記硬質レンズが無機化合物である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記硬質レンズが溶融シリカ、石英、またはサファイアの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体ダイの少なくとも一部の周囲、および前記硬質レンズの少なくとも一部の周囲に取付け材料を配置する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記取付け材料が樹脂を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記取付け材料がＵＶ光を不透過である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
取付け材料の頂面が硬質レンズの底面の上０．５ｍｍ以下に配置される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
取付け材料の頂面が硬質レンズの底面の上０．３ｍｍ以下に配置される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記硬質レンズが、前記硬質レンズと前記半導体ダイの間の封止剤の厚さを最小にするために十分な力の適用を介して前記半導体ダイに取付けられる、請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
前記硬質レンズの取付け後に、前記封止剤の厚さが、前記硬質レンズと前記半導体ダイの間の熱膨張の不一致が誘発する歪みの成長を防止するために不十分である、請求項５に記載の方法。
【請求項１５】
前記硬質レンズの取付け後に、前記封止剤の厚さが約１０μｍ以下である、請求項５に記載の方法。
【請求項１６】
前記硬質レンズが少なくとも部分的に半球状である、請求項５に記載の方法。
【請求項１７】
前記硬質レンズが実質的に半球状である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記硬質レンズが実質的に半球状の部分、およびその下に配置される実質的に円筒状の部分を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記硬質レンズが平坦な板である、請求項５に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも前記硬質レンズの頂面の部分が、そこからの発光を促進するために、少なくともパターン化されたか、またはテクスチャ加工された、のいずれか１つである、請求項５に記載の方法。
【請求項２１】
前記封止剤が、ＵＶ光曝露前のケイ素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記封止剤は、ＵＶ光曝露前のシリコーンオイルまたはシリコーン樹脂を含む、請求項１の方法。
【請求項２３】
（ｉ）ＵＶ光に曝露する前に、封止剤が４０原子パーセントを超える炭素含有量を有し、（ｉｉ）ＵＶ光に曝露した後、非化学量論的シリカ材料が３０原子パーセント未満の炭素含有量を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記半導体ダイと前記封止剤の少なくとも一部との間にバリアを配置するステップをさらに含み、前記バリアは、ＵＶ光に対して不透明な材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記バリアがＵＶ光に対して不透明の樹脂を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記バリアがＵＶ光を反射する材料を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記バリアがアルミニウムまたはポリ四フッ化エチレンの少なくとも１つを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記半導体ダイが、発光ダイオードダイである、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記半導体ダイが、レーザーダイである、請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
前記封止剤の少なくとも部分が、約１００時間〜約３００時間ＵＶ光に曝露される、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記封止剤の少なくとも部分が、前記半導体ダイによって放出されるＵＶ光に曝露される、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも封止剤の部分が曝露される少なくとも前記ＵＶ光の部分が、前記半導体ダイ以外のデバイスによって放出される、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも封止剤の部分が、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶ光に曝露される、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
紫外（ＵＶ）線発光半導体ダイと、
前記半導体ダイから光を取出しするための硬質レンズと、
硬質レンズと発光半導体ダイとの間に配置された封止剤の層とを含み、
前記封止剤の層の少なくとも一部が、ＵＶ光への曝露によって非化学量論的シリカ材料へ変換された有機材料を含み、前記非化学量論的シリカ材料がケイ素、酸素、および炭素を含み、前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１ｐｐｍより大であり、かつ４０原子パーセントより少ない、照明装置。
【請求項３５】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１原子パーセントより大である、請求項３４に記載の照明装置。
【請求項３６】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が３０原子パーセントより少ない、請求項３４に記載の照明装置。
【請求項３７】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が２０原子パーセントより少ない、請求項３４に記載の照明装置。
【請求項３８】
前記封止剤の層の少なくとも一部は、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶ光に曝露することによって非化学量論的シリカ材料に変換された有機材料を含む、請求項３４に記載の照明装置。
【請求項３９】
紫外（ＵＶ）線発光半導体ダイと、
前記発光半導体ダイから光を取り出すための硬質レンズと、
前記硬質レンズと前記発光半導体ダイとの間に配置された非化学量論的なシリカ材料の層とを含み、
前記非化学量論的シリカ材料がケイ素、酸素および炭素を含み、前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子パーセントより少ない、照明装置。
【請求項４０】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１原子パーセントより大である、請求項３９に記載の照明装置。
【請求項４１】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が３０原子パーセントより少ない、請求項３９に記載の照明装置。
【請求項４２】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が２０原子パーセントより少ない、請求項３９に記載の照明装置。
【請求項４３】
紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイと、
半導体ダイの上および／または周囲に配置された封止剤の層とを含み、
前記封止剤の層の少なくとも一部が、ＵＶ光への曝露によって非化学量論的シリカ材料に変換された有機材料を含み、前記非化学量論的シリカ材料はケイ素、酸素、および炭素を含み、前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１ｐｐｍより大であり、かつ４０原子パーセントより少ない、照明装置。
【請求項４４】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１原子パーセントより大である、請求項４３に記載の照明装置。
【請求項４５】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が３０原子パーセントより少ない、請求項４３に記載の照明装置。
【請求項４６】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が２０原子パーセントより少ない、請求項４３に記載の照明装置。
【請求項４７】
前記封止剤の層が半導体ダイの頂面上に配置され、さらに前記半導体ダイの側壁に近接して配置されたバリア材料を含み、前記バリア材料がＵＶ光に不透明である、請求項４３に記載の照明装置。
【請求項４８】
前記封止剤の層の少なくとも一部は、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶ光に曝露することによって非化学量論的シリカ材料に変換された有機材料を含む、請求項４３に記載の照明装置。
【請求項４９】
紫外（ＵＶ）線発光半導体ダイと、
前記半導体ダイの上および／または周囲に配置された非化学量論的シリカ材料の層とを含み、
前記非化学量論的シリカ材料はケイ素、酸素、および炭素を含み、前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１原子パーセントより大で、かつ４０原子パーセントより少ない、照明装置。
【請求項５０】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１原子パーセントより大である、請求項４９に記載の照明装置。
【請求項５１】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が３０原子パーセントより少ない、請求項４９に記載の照明装置。
【請求項５２】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が２０原子パーセントより少ない、請求項４９に記載の照明装置。
【請求項５３】
前記封止剤の層が半導体ダイの頂面上に配置され、さらに前記半導体ダイの側壁に近接して配置されたバリア材料を含み、前記バリア材料がＵＶ光に不透明である、請求項４９に記載の照明装置。
【請求項５４】
紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイと、
半導体ダイの上および／またはその周囲に配置された封止剤の層とを含み、
（ｉ）前記封止剤の層の第１の部分は、ＵＶ光への曝露により少なくとも部分的に非化学量論的シリカ材料に変換された有機材料を含み、（ｉｉ）前記封止剤の層の第２の部分はシリコーンを含み、（ｉｉｉ）前記非化学量論的シリカ材料はケイ素、酸素および炭素を含み、前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は１ｐｐｍより大で、かつ４０原子パーセントより少ない、照明装置。
【請求項５５】
前記封止剤の層の第１の部分が、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶ光に曝露することによって、少なくとも部分的に非化学量論的シリカ材料に変換された有機材料を含む、請求項５４に記載の照明装置。
【請求項５６】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１原子パーセントより大である、請求項５４に記載の照明装置。
【請求項５７】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が３０原子パーセントより小である、請求項５４に記載の照明装置。
【請求項５８】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が２０原子パーセントより小である、請求項５４に記載の照明装置。
【請求項５９】
前記封止剤の層の第１の部分が半導体ダイの頂面上に配置され、前記封止剤の層の第２の部分が前記半導体ダイの側壁に近接して配置された、請求項５４に記載の照明装置。
【請求項６０】
さらに半導体ダイの側壁と前記封止剤の層の第２の部分との間にバリア材料を含み、前記バリア材料がＵＶ光に不透明である、請求項５９に記載の照明装置。
【請求項６１】
前記バリア材料が、アルミニウム、ポリ四フッ化エチレン、および／または不透明樹脂を含む、請求項６０に記載の照明装置。
【請求項６２】
紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイと、
半導体ダイの上および／またはその周囲に配置された封止剤の層とを含み、
（ｉ）前記封止剤の層の第１の部分は非化学量論的シリカ材料を含み、（ｉｉ）前記封止剤の層の第２の部分はシリコーンを含み、（ｉｉｉ）前記非化学量論的シリカ材料はケイ素、酸素、および 炭素を含み、前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子パーセントより小である、照明装置。
【請求項６３】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が１原子パーセントより大である、請求項６２に記載の照明装置。
【請求項６４】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が３０原子パーセントより少ない、請求項６２に記載の照明装置。
【請求項６５】
前記非化学量論的シリカ材料の炭素含有量が２０原子パーセントより少ない、請求項６２に記載の照明装置。
【請求項６６】
前記封止剤の層の第１の部分が半導体ダイの頂面上に配置され、前記封止剤の層の第２の部分が前記半導体ダイの側壁に近接して配置された、請求項６２に記載の照明装置。
【請求項６７】
さらに半導体ダイの側壁と前記封止剤の層の第２の部分との間にバリア材料を含み、前記バリア材料がＵＶ光に不透明である、請求項６６に記載の照明装置。
【請求項６８】
前記バリア材料が、アルミニウム、ポリ四フッ化エチレン、および／または不透明樹脂を含む、請求項６７に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年７月２３日出願の米国仮特許出願６２／０２７,９６８号の利益と優先権を主張して、その全体の開示が引用によって本明細書に組み込まれる。
様々な実施態様において、本発明は、紫外（ＵＶ）線を放出する発光体に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体システムに基づいて、短波長紫外線発光ダイオード（ＵＶ  ＬＥＤ）、すなわち３５０ｎｍ未満の波長で発光するＬＥＤの出力、効率、および寿命は、活動領域の高欠陥レベルに起因して制限されたままである。これらの制限は、２７０ｎｍ未満の波長で発光するように設計されたデバイスにおいて特に問題となる（そして顕著である）。大部分の開発努力は、革新的欠陥低減戦略にもかかわらず欠陥密度が高いままである、サファイアのような異質基板上に形成されたデバイスに対して行われている。これらの高い欠陥密度は、かかる基板上に成長するデバイスの効率と信頼性の両方を制限する。
【０００３】
低欠陥の結晶性窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の最近の導入は、これらのデバイスの活動領域に欠陥がより少ないという利点のために、窒化物系のオプトエレクトロニクス半導体デバイス、特に高アルミニウム濃度を有するものを劇的に改善する可能性を有する。例えば、ＡｌＮ基板上に仮像的に成長したＵＶ  ＬＥＤは、他の基板上に形成された同様のデバイスと比較して、より高い効率、より高い出力およびより長い寿命を有することが実証されている。一般に、これらの仮像的ＵＶ  ＬＥＤは、デバイスの活動領域で生成された光がＡｌＮ基板を通して放出される、フリップ−チップ構成のパッケージのために搭載され、一方で、ＬＥＤダイが多結晶（セラミック）ＡｌＮサブマウントに結合されるダイの前表面を有する。かかるデバイスの活動デバイス領域で達成可能な高い結晶完全性のために、６０％を超える内部効率が実証されている。残念なことに、光子取出し効率は、これらのデバイスではしばしば依然として非常に劣っており、表面パターニング技術を用いて達成される、約４％〜約１５％の範囲である。
【０００４】
いくつかの理由から、短波長ＵＶ  ＬＥＤからの光子取出し効率は、可視ＬＥＤに比べて劣っている。したがって、現世代の短波長ＵＶ  ＬＥＤは、せいぜい数パーセントの低いウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を有し、ここでＷＰＥは、電力によってデバイス内に分配されるダイオードから達成される、使用可能な光電力（この場合、放出されるＵＶ光）の比として定義される。ＬＥＤのＷＰＥは、電気効率（ηｅｌ）、光子取出し効率
（ηｅｘ）、および内部効率（ＩＥ）の積を取ることによって計算することができる。すなわち、WPE=ηel×ηex×IE。ＩＥ自体は、電流注入効率（ηｉｎｊ）と内部量子効率（ＩＱＥ）の積である。すなわち、IE = ηinj×IQE。このように、例えば、上述のＡｌＮ基板をデバイス用のプラットフォームとして使用することによって可能となる、内部結晶欠陥の低減を介してＩＥが改善された後でさえも、低いηｅｘはＷＰＥに有害な影響を及ぼすであろう。
【０００５】
いくつかの問題は、低光子取出し効率に寄与し得る。第１に、一般に入手可能な最高品質のＡｌＮ基板であっても、ＡｌＮのバンドエッジ（約２１０ｎｍ）よりも長い波長であっても、ＵＶ波長範囲にいくらかの吸収を有する。この吸収は、デバイスの活動領域で発生したＵＶ光の一部が基板に吸収され、故に基板表面から放出される光の量を減少させる傾向がある。さらに、生成された光子の約半分がｐ−コンタクトに向けられ、そのコンタクトのｐ−ＧａＮによって吸収されるので、ＵＶ ＬＥＤが被る。光子がＡｌＮ表面に向いている場合でも、ＡｌＮの大きな屈折率のために、一般に約９．４％のみが未処理表面から逃げるため、小さな逃げ円錐が生じる。追加の光子は、ＡｌＮ基板内の吸収のために、出口表面に向かう途中で失われる。これらの損失は倍増し、平均光子取出し効率はわずか約２．５％に過ぎない。
【０００６】
典型的なＬＥＤ製作では、中間の屈折率を有する封止剤を用いることによって、ＬＥＤ構造と空気との間の屈折率の大きな差異（および光子取出しの欠如が結果として生じる）を大幅に改善し得る。具体的には、多くの従来の設計は、ＬＥＤの上に配置され、ＬＥＤを少なくとも部分的に取り囲む（そして、その後、熱処理によって硬化される）封止材料の「ドーム」を特徴とする。この封止は、半導体ダイの頂面を通る全内部反射の臨界角を増加させ、可視ＬＥＤの光子取出し効率の著しい改善を導いていた。
【０００７】
残念ながら、ＬＥＤ封止剤および接着剤は、ＵＶ線によって容易に損傷され得、封止剤または接着剤の劣化をもたらす。 その劣化は、ＵＶＣ線（すなわち、３００ｎｍ未満の波長の線）への曝露で特に深刻である。したがって、光子取出しを改善するために封止剤を使用することは、典型的にはＵＶ  ＬＥＤには効果がない。さらに、ＵＶ耐性封止剤が開発されているが、これらの化合物でさえも、ＵＶ  ＬＥＤの所望の耐用年数よりはるかに短いＵＶ光への曝露で劣化を示す。 例えば、 Schott North America, Inc. Elmsford, ニューヨーク州から入手可能なＤｅｅｐ  ＵＶ−２００封止剤材料は、たった１０００時間の露光後ですら３００ｎｍの光に対する透過率の１５％の低下を示す。
【０００８】
したがって、ＵＶ線、特にＵＶＣ線に対して透明な安定した封止剤の欠如を克服するＵＶ  ＬＥＤからの光子取出し効率を効果的に高めるために、容易に実施可能なアプローチが必要である。そのようなアプローチは、望ましくは、これらのデバイスの意図された耐用期間にわたって、例えば約１０，０００時間またはそれ以上長く、著しい劣化なしに、ＵＶ  ＬＥＤの高い透過率および信頼性を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図面において、同様の参照符号は、一般に、異なる図においても同じ部品を指す。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに本発明の原理を例示することに、一般的に強調が置かれている。以下の記載においては、本発明のさまざまな実施態様を、以下の図面を参照して説明する。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の様々な実施態様による、硬質レンズの発光ダイへの取り付けを断面で示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂも、本発明の様々な実施態様による、硬質レンズの発光ダイへの取り付けを断面で示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、平板状の硬質レンズを組み込んだ発光装置の概略断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、テクスチャ加工された平板状の硬質レンズを組み込んだ発光装置の概略断面図である。
【図２】Ａは、本発明のさまざまな実施態様による、発光ダイ、封止剤、および硬質レンズを組み込んだ照明装置の、室温における概略断面図である。Ｂは、Ａの封止剤内の応力状態の拡大図である。
【図３】Ａは、本発明のさまざまな実施態様による、発光ダイ、封止剤、および硬質レンズを組み込んだ照明装置の、高温における概略断面図であり、Ｂは、Ａの封止剤内の応力状態の拡大図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施態様で利用される発光ダイの概略断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施態様に従って行われた基板の厚さ減少およびテクスチャ加工の後の、図４Ａの発光ダイを示す。
【図５】図５は、本発明の実施態様による、そこに適用されている硬質レンズを有するか有しないＵＶ  ＬＥＤから放出された光強度のプロットを示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施態様による、そこに適用されている硬質レンズを有するか有しない発光ダイの遠視野パターンのプロットを示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施態様による、発光ダイに取り付けられたそれからの光の歪みに対するレンズサイズの影響の概略図である。
【図８】図８は、本発明のさまざまな実施態様による、発光ダイに取り付けられた半球部分および円筒部分を有するレンズの概略断面図である。
【図９】図９は、本発明のさまざまな実施態様のレンズ寸法および封止剤の厚さの関数としての光子取出し効率および遠視野パターンの表である。
【図１０】図１０は、本発明のさまざまな実施態様による、経時的なＵＶ発光デバイスの相対出力のグラフである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明のさまざまな実施態様による有機封止剤において起こる例示的な光化学反応を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明のさまざまな実施態様による、図１１Ａの光化学反応中のデバイスの概略部分断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明のさまざまな実施態様による、図１１Ａの光化学反応後のデバイスの概略部分断面図である。
【図１２】図１２は、本発明のさまざまな実施態様によるＵＶ光に曝露される前（０時間）と４８時間および１３００時間の曝露時間後の封止剤のマイクロ赤外線分光法による特性評価結果のグラフである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施態様による、ＵＶ光へ曝露前の封止剤のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分光測定のグラフである。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施態様によるＵＶ光に４８時間曝露した後の封止剤のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分光測定のグラフである。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の実施態様による２００時間のＵＶ光への曝露後の封止剤のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分光測定のグラフである。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、本発明の実施態様によるＵＶ光に１３００時間曝露した後の封止剤のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分光測定のグラフである。
【図１４】図１４は、図１３Ａ〜図１３Ｄの封止剤のおおよその組成のグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明のさまざまな実施態様による、非化学量論的なシリカ材料に変換された封止剤を組み込んだデバイスの概略断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂも、本発明のさまざまな実施態様による、非化学量論的なシリカ材料に変換された封止剤を組み込んだデバイスの概略断面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃも、本発明のさまざまな実施態様による、非化学量論的なシリカ材料に変換された封止剤を組み込んだデバイスの概略断面図である。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、本発明のさまざまな実施態様による、非化学量論的なシリカ材料に変換されたカプセル材料と、未変換のカプセル材料および／またはバリア材料とを組み込んだデバイスの概略断面図である。
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、本発明のさまざまな実施態様による非化学量論的シリカ材料に変換された封止剤を組み込んだデバイスの概略断面図である。
【図１５Ｆ】図１５Ｆも、本発明のさまざまな実施態様による非化学量論的シリカ材料に変換された封止剤を組み込んだデバイスの概略断面図である
【図１５Ｇ】図１５Ｇは、本発明のさまざまな実施態様による、非化学量論的なシリカ材料に変換された封止剤と、未変換の封止剤および／またはバリア材料とを組み込んだデバイスの概略断面図である。
【図１５Ｈ】図１５Ｈは、本発明のさまざまな実施態様による、非化学量論的なシリカ材料に変換された封止剤を組み込んだデバイスの概略断面図である。そして
【図１６】図１６は、本発明のさまざまな実施態様による硬質レンズおよび取付け材料を組み込んだ装置の概略断面図である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、ＵＶ線、特にＵＶＣ線に対して透明な安定した封止剤の欠如を克服するＵＶ  ＬＥＤによって光子取出し効率を効果的に高めることを目的とする。
【００１１】
本発明のさまざまな実施態様において、ＵＶ  ＬＥＤなどのＵＶ発光デバイスの光子取出し効率は、無機（および典型的には硬質の）レンズを、封止剤（例えば、有機化合物）の薄層を使用してＬＥＤダイに直接取り付けることによって改善される。いくつかの実施態様において、封止剤は液体またはゲル、例えばシリコーンオイルおよび／またはシリコーン樹脂である。レンズは、典型的には、サファイア、溶融シリカ、または石英などのＵＶ透過性（少なくともＵＶＣ透過性）材料を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。他のレンズ材料、例えば、屈折率が１．３より大きく、高強度の短波長ＵＶ線への曝露中に透明で安定な材料を利用し得る。レンズを使用すると、ＵＶ  ＬＥＤの取出された準連続波出力において、少なくとも２倍（さらには２．６倍またはそれ以上の増加まで）の結果が生じる。さらに、デバイスの遠視野パターン（ＦＷＨＭ、半値全幅）は、少なくとも２０％狭くされ得る。レンズは、好ましくは、全内部反射を受ける放射線の量を最小にするように成形される。典型的には、これは円形または半球形状であるが、他の形状も本発明の範囲内に入る。さまざまな実施態様において、レンズ形状は、例えば遠視野パターンを狭めるために、円筒形の構成要素および半球状の構成要素を有する。他の実施態様においては、レンズは、そこからの光取出しを強化するために、パターン化またはテクスチャ加工された実質的に平坦な板または平板を含み、本質的にそれらからなり、またはそれらからなる。例えば、平板は、大きな角度で平面に接近している光子の光子取出しを改善するために、パターン化してフレネルレンズを形成することができる。
【００１２】
本発明のさまざまな実施態様は、ＵＶ光への初期露光時に劣化する有機封止剤を組み入れ、特に、かかる有機封止剤は、ＵＶ光に曝露されたとき（例えば、デバイスによる初期発光期間中に）、部分的な酸化を経験し得、封止剤の屈折率を変更し、および／またはデバイス・ダイからの光が拡散する小さな局所領域を形成し、レンズに到達し最終的にそこから放出されるＵＶ光の量を減少させる。本発明のさまざまな実施態様によれば、かかる封止剤は、驚くべきかつ有利には、ＵＶ光への追加の曝露によって少なくとも部分的に非化学量論的シリカ材料に変換され、その出力特性が改善される。具体的には、封止剤がこの初期の「焼き付け」期間中に、少なくとも部分的に非化学量論的なシリカに変換されると、封止剤の炭素含有量は、例えば、約４０原子％未満、約３０原子％未満、または約２０原子％未満に減少し、 その後、封止剤の透過率はかなり向上し、デバイスの少なくとも数千時間の動作に対して堅牢である。さまざまな実施態様において、非化学量論的シリカ材料への変換後の封止剤の炭素含有量は、約５原子％以上、約１０原子％以上、または約１５原子％以上である。
【００１３】
したがって、本発明のさまざまな実施態様によれば、変換された封止剤は、初期の期間（例えば、約２００時間まで、約３００時間まで、約１００時間〜約２００−３００時間の間）にわたってＵＶ光に曝露された後のさらなるＵＶ誘導された透過率の低下に対して実質的に影響されない。本発明のさまざまな実施態様によれば、非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素、および炭素を含み、本質的にそれらからなるか、それからさえなり、炭素含有量が１ｐｐｍよりも大きく（典型的には１原子％より大きく）、かつ約３０原子％以下、または約２０原子％以下でさえあってもよい。ＵＶ光に長時間曝露すると、非化学量論的シリカ材料の組成は純粋なシリカの組成に近づくが、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）のような特性決定法によって少量の炭素が検出可能であり得る。
【００１４】
本発明の実施態様は、約１００ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲から選択された波長を有するＵＶ光を利用する。好ましい実施態様は、約１００ｎｍ〜約２８０ｎｍ、またはさらにより好ましくは約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶＣ光を利用する。他の実施態様は、ＵＶＡ光（すなわち、約３１５ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲から選択された波長を有する光）またはＵＶＢ光（すなわち、約２８０ｎｍ〜約３１５ｎｍの範囲から選択された波長を有する光）を利用する。
【００１５】
いくつかの実施態様において、封止剤の変換が封止剤を脆化させるため、レンズが発光ダイから緩むかまたは離脱する傾向がより高くなり得る。かかる実施態様においては、レンズとダイとの接触をさらに確保するために、追加の付着剤を利用し得る。例えば、付着剤は、デバイスが部分的に浸漬される樹脂（例えば、不透明であってもよいエポキシ樹脂）であってもよい。樹脂は、デバイスの動作および取り扱い中にレンズをさらに安定させるために、ダイ（または脆化封止剤）とレンズとの間の界面より上に少なくともわずかに（例えば、約０．３ｍｍ以下）伸びることが好ましい。さまざまな実施態様において、付着剤は、２０１５年４月６日に出願された米国特許出願第１４／６７９，６５５号（‘６５５号出願）に記載されており、その全開示は参照により本明細書に組み込まれる、不透明樹脂（および／またはバリア層）を含むか、それから本質的になるか、それからなる。付着剤および／またはバリア層は、そのような封止剤の大部分を通るＵＶ光の透過を実質的に防止し、それにより、その劣化および亀裂（または他の機械的な不具合）を防止する。
【００１６】
本発明のさまざまな実施態様において、付着剤および／またはバリア層は、ＬＥＤチップに隣接し、ＬＥＤチップによって放出されるＵＶ光に対して不透過な封止剤自体の一部を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。（このような実施態様においては、ＬＥＤチップから遠く離れた封止剤の残りの部分は、このより遠くの封止剤は典型的には放出されたＵＶ光を透過しないので、ＵＶ不透過性または透過性であってもよい。）本明細書において利用されるように、「不透明の」材料は、実質的に特定の波長または波長範囲（例えば、ＵＶ光）の光を透過せず、その代わりに、特定の波長または波長範囲の光に対して反射性および／または強吸収性（例えば、薄い厚さに渡って）である。本発明の他の実施態様においては、バリア層は、ＬＥＤチップと封止剤との間に配置された固体の不透明なシールドを含むか、本質的にそれからなるか、またはそれらからなり、それはしたがってＵＶ光に対して透明か不透過であってもよい。例えば、シールドは、アルミニウムなどのＵＶ光を実質的に反射する金属から構成されてもよい。このように、本発明の実施態様は、長寿命、高出力、および高信頼性を有する実装されたＵＶ  ＬＥＤを含む。
【００１７】
一側面において、本発明の実施態様は、照明装置において組み立て、焼き付けする方法を特徴とする。有機封止剤層は、紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイの表面全面に設けられる。封止剤の少なくとも一部はＵＶ光に曝露され、封止剤の前記部分の少なくとも一部を非化学量論的なシリカ材料に変換する。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子％未満である。
【００１８】
本発明の実施態様は、以下の１つまたはそれ以上を、さまざまな組み合わせのいずれかにおいて含むことができる。ＵＶ光への曝露は、公称デバイス動作（すなわち、顧客による、および／または大規模デバイス内のデバイス動作、デバイスの周囲の電流レベル、動作温度、および／または酸素含有量でのデバイス動作で、それは「公称」、すなわち、デバイスの設計および構造に基づいて通常の動作に推奨されるものである）に先立つ。封止剤が曝露されるＵＶ光は、半導体ダイによって放出されてもよく、曝露の少なくとも一部の間、半導体ダイは、公称の電流レベルとは異なる（例えば、高いまたは低い）電流レベルで動作されてもよく、および／または公称の動作温度とは異なる動作温度で、公称の酸素含有量とは異なる（例えば、より高いまたはより低い）酸素含有量を含む周囲環境内で動作されてもよい。
【００１９】
ＵＶ光への曝露は、（例えば、出荷のための）デバイスのパッケージングおよび／または顧客への出荷に先行し得る。ＵＶ光への曝露は、半導体ダイから放出されたＵＶ光を利用する（例えば、切断、画像化、消毒などのための）より大きなシステムの内部または上にデバイスを配置する前に行われてもよい。デバイスは、封止剤がＵＶ光に曝露される前および／または直後に初期出力でＵＶ光を放出し、出力は最小値（すなわち、初期値よりも低い値）に低下し、初期値に近い（すなわち、約７０％〜約１００％）最終値に回復し得る。封止剤は、デバイスの出力が最終値に回復するのに少なくとも十分な時間、ＵＶ光に曝露され得る。
【００２０】
ＵＶ光への封止剤の曝露は、封止剤からの気体副産物（例えば、ホルムアルデヒド）の形成および／または封止剤からの気体副産物の拡散をもたらし得る。封止剤は、気体副産物の形成および／または拡散が実質的に止まる（例えば、検出不可能である）ために少なくとも十分な時間、ＵＶ光に曝露されてもよい。ＵＶ光への封止剤の曝露は、封止剤の炭素含有量の減少をもたらし得る。封止剤は、封止剤の炭素含有量が約４０原子パーセント以下、約３０原子パーセント以下、約２０原子パーセント以下、約１０原子パーセント約５原子パーセント以下、または約１原子パーセント以下まで低下するのに少なくとも十分な時間、ＵＶ光に曝露されてもよい。
【００２１】
封止剤が曝露されるＵＶ光の波長は、半導体ダイによって放出されるＵＶ光の波長と同じであってもよい。封止剤が曝露されるＵＶ光の波長は、半導体ダイによって放出されるＵＶ光の波長とは異なることがあり得る。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１原子パーセントより大きくてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、３０原子パーセント未満、２０原子パーセント未満、１０原子パーセント未満、または５原子パーセント未満であってもよい。硬質レンズは、半導体ダイの反対側の封止剤上に配置されてもよい。硬質レンズは無機であってもよい。硬質レンズは、溶融シリカ、石英、および/またはサファイアを含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなり得る。
【００２２】
取付け材料は、半導体ダイの少なくとも一部分の周囲に、および硬質レンズの少なくとも一部の周囲に配置されてもよい。取付け材料は、樹脂を含むか、本質的に樹脂からなるか、または樹脂からなることができる。取付け材料は、ＵＶ光が不透過であってもよい。取付け材料の上面は、硬質レンズの底面の上に０．５ｍｍ以下だけ離れて配置されてもよい。取付け材料の上面は、硬質レンズの底面の上に０．３ｍｍ以下だけ離れて配置されてもよい。硬質レンズは、硬質レンズと半導体ダイとの間の封止剤の厚さを最小にするのに十分な力を適用することによって、半導体ダイに取り付けることができる。硬質レンズの取り付け後、封止剤の厚さは、硬質レンズと半導体ダイとの間の熱膨張不一致誘発による歪みの伝播を防止するには不十分であり得る。
【００２３】
硬質レンズの取り付け後、封止剤の厚さは、約１０μｍ以下、約８μｍ以下、または約５μｍ以下であってもよい。硬質レンズは、少なくとも部分的に半球状であってもよい。硬質レンズは、実質的に半球状であってもよい。硬質レンズは、実質的に半球状の部分と、その下に配置された実質的に円筒形の部分とを有し得る。硬質レンズは、平板であってもよい。硬質レンズの上面の少なくとも一部は、そこからの光放出を高めるために、パターン化および／またはテクスチャ加工されてもよい。
【００２４】
封止剤は、ＵＶ光に曝露する前に、シリコーンを含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなることができる。封止剤は、ＵＶ光に曝露する前に、シリコーン油またはシリコーン樹脂を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。ＵＶ光に曝露する前に、封止剤は、４０原子パーセントを超える炭素含有量を有し得る。ＵＶ光に曝露した後、非化学量論的シリカ材料は、３０原子パーセント未満の炭素含有量を有することができる。バリアは、半導体ダイと封止剤の少なくとも一部との間に配置されてもよい。バリアは、ＵＶ光に対して不透明な材料を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなることができる。バリアは、ＵＶ光に対して不透明な樹脂を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。バリアは、ＵＶ光を反射する材料を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなることができる。バリアは、アルミニウムおよび／またはポリ四フッ化エチレンを含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。半導体ダイは、発光ダイオードダイまたはレーザダイであってもよい。封止剤の少なくとも一部は、約５０時間〜約５００時間、約１００時間〜約４００時間、約１００時間〜約３００時間、約２００時間〜約３００時間、または約２００時間の期間ＵＶ光に曝露されてもよい。
【００２５】
封止剤の少なくとも一部は、半導体ダイによって放出されるＵＶ光に曝露されてもよい。封止剤の少なくとも一部が曝露されるＵＶ光の少なくとも一部は、半導体ダイ以外のデバイス（例えば、異なる発光半導体ダイ、ＵＶランプなど）によって放出されてもよい。封止剤の少なくとも一部分は、半導体ダイおよび半導体ダイ以外のデバイスの両方によって放出されるＵＶ光に曝露されてもよい。封止剤の少なくとも一部は、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍ（例えば、約２５０ｎｍ〜約２７０ｎｍ）の範囲から選択される波長を有するＵＶ光に曝露されてもよい。
【００２６】
別の側面において、本発明の実施態様は、紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイ、発光半導体ダイからの光を取り出するための硬質レンズ、および硬質レンズと発光半導体ダイとの間に配置された封止剤の層を含むか、本質的にそれらからなる照明デバイスを特徴付ける。封止剤の層の少なくとも一部は、ＵＶ光への曝露によって非化学量論的シリカ材料に変換された有機材料を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含み、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子％未満である。
【００２７】
本発明の実施態様は、以下の１つまたは複数を様々な組み合わせのいずれかにおいて含み得る。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１原子パーセントより大きくてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、３０原子パーセント未満、２０原子パーセント未満、１０原子パーセント未満、または５原子パーセント未満であってもよい。封止剤の層の少なくとも一部は、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶ光への曝露によって非化学量論的シリカ材料に変換された有機材料を含むか、本質的にそれからなるか、それからなる。
【００２８】
さらに別の側面においては、本発明の実施態様は、紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイ、発光半導体ダイからの光を取り出するための硬質レンズ、および、硬質レンズと発光半導体ダイとの間に配置された非化学量論的シリカ材料の層を含むか、本質的にそれらからなるか、それらからなる照明デバイスを特徴とする。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく４０原子％未満である。
【００２９】
本発明の実施態様は、以下の１つまたはそれ以上をさまざまな組み合わせのいずれかにおいて含み得る。非化学量論的シリカ材料の層は、有機封止剤（例えば、シリコーンを含むか、本質的にシリコーンからなる、またはシリコーンからなる封止剤）の一部であってもよく、および／またはその内部に配置されてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１原子パーセントより大きくてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、３０原子パーセント未満、２０原子パーセント未満、１０原子パーセント未満、または５原子パーセント未満であってもよい。
【００３０】
別の側面においては、本発明の実施態様は、紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイと、半導体ダイの上および／または周囲に配置された封止剤の層とを含むか、または本質的にそれらからなる照明デバイスを特徴とする。封止剤の層の少なくとも一部は、ＵＶ光への曝露によって非化学量論的シリカ材料に変換される有機材料を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子％未満である。
【００３１】
本発明の実施態様は、以下の１つまたはそれ以上をさまざまな組み合わせのいずれかにおいて含むことができる。封止剤の層は、レンズの形状を有することができる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１原子パーセントより大きくてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、３０原子パーセント未満、２０原子パーセント未満、１０原子パーセント未満、または５原子パーセント未満であってもよい。封止材の層は、半導体ダイの上面の上に配置することができる。バリア材料は、半導体ダイの側壁に近接して配置されてもよい。バリア材料は、ＵＶ光に対して不透明であってもよい。バリア材料は、不透明樹脂、アルミニウム、および／またはポリ四フッ化エチレンを含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。封止剤の層の少なくとも一部は、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶ光への曝露によって非化学量論的シリカ材料に変換される有機材料を含むか、本質的にそれからなるか、 それからなる。
【００３２】
さらに別の側面においては、本発明の実施態様は、紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイおよび半導体ダイの上及び/または周囲に配置された非化学量論的シリカ材料の層を含むか、または本質的にそれからなる照明装置を特徴とする。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含み、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく４０原子％未満である。
【００３３】
本発明の実施態様は、さまざまな組み合わせのいずれかにおいて以下の１つ以上を含むことができる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１原子パーセントより大きくてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、３０原子パーセント未満、２０原子パーセント未満、１０原子パーセント未満、または５原子パーセント未満であってもよい。非化学量論的なシリカ材料の層は、半導体ダイの上面の上に配置することができる。バリア材料は、半導体ダイの側壁に近接して配置されてもよい。バリア材料は、ＵＶ光に対して不透明であってもよい。バリア材料は、不透明樹脂、アルミニウム、および／またはポリ四フッ化エチレンを含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。
【００３４】
別の側面においては、本発明の実施態様は、紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイと、半導体ダイの上および／または周囲に配置された封止剤の層とを含むか、またはそれらから本質的になる照明装置を特徴とする。封止剤の層の第１の部分は、ＵＶ光への曝露によって少なくとも部分的に非化学量論的なシリカ材料に変換される有機材料を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる。封止材料の層の第２の部分は、有機封止剤（例えば、シリコーン）を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子％未満である。
【００３５】
本発明の実施態様は、さまざまな組み合わせのいずれにおいて以下の１つまたはそれ以上を含むことができる。封止剤の層の第１の部分は、約２１０ｎｍ〜約２８０ｎｍの範囲から選択される波長を有するＵＶ光に曝露することによって、少なくとも部分的に非化学量論的なシリカ材料に変換された有機材料を含むか、それらから本質的になるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１原子パーセントより大きくてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、３０原子パーセント未満、２０原子パーセント未満、１０原子パーセント未満、または５原子パーセント未満であってもよい。
【００３６】
封止剤の層の第１の部分は、半導体ダイの上面の上に配置することができる。封止剤の層の第２の部分は、半導体ダイの側壁に近接して配置することができる。封止剤の層の第２の部分は、半導体ダイの上面の上に配置され、封止剤の層の第１の部分よりも半導体ダイの上面からさらに離れて配置することができる。封止剤の層の第１の部分は、封止剤の層の第２の部分内、および／またはそれによって少なくとも部分的に囲まれて配置することができる。バリア材料は、半導体ダイの側壁と封止剤の層の第２の部分との間に配置することができる。バリア材料は、ＵＶ光に対して不透明であってもよい。バリア材料は、アルミニウム、ポリ四フッ化エチレン、および／または不透明樹脂を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。
【００３７】
さらに別の側面においては、本発明の実施態様は、紫外線（ＵＶ）発光半導体ダイと、半導体ダイの上および／または周囲に配置された封止剤の層とを含むか、またはそれらから本質的になる照明装置を特徴とする。封止剤の層の第１の部分は、非化学量論的なシリカ材料を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる。封止剤の層の第２の部分は、有機封止剤（例えば、シリコーン）を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる。非化学量論的シリカ材料は、ケイ素、酸素および炭素を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１ｐｐｍより大きく、かつ４０原子％未満である。
【００３８】
本発明の実施態様においては、さまざまな組み合わせのいずれかにおいて以下の１つまたはそれ以上を含むことができる。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、１原子パーセントより大きくてもよい。非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は、３０原子パーセント未満、２０原子パーセント未満、１０原子パーセント未満、または５原子パーセント未満であってもよい。封止剤の層の第１の部分は、半導体ダイの上面の上に配置することができる。封止剤の層の第２の部分は、半導体ダイの側壁に近接して配置することができる。
【００３９】
封止剤の層の第２の部分は、半導体ダイの上面の上に配置され、封止剤の層の第１の部分よりも半導体ダイの上面からさらに離れて配置することができる。封止剤の層の第１の部分は、封止剤の層の第２の部分内、および／または封止材の層の第２の部分によって少なくとも部分的に囲まれて配置することができる。バリア材料は、半導体ダイの側壁と封止材料の層の第２の部分との間に配置することができる。バリア材料は、ＵＶ光に対して不透明であってもよい。バリア材料は、アルミニウム、ポリ四フッ化エチレン、および／または不透明樹脂を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。
【００４０】
本明細書に開示された本発明の利点および特徴と共に、これらのおよび他の目的は、以下の明細書、添付図面および特許請求の範囲を参照することにより、より明らかになるであろう。さらに、本明細書に記載されたさまざまな実施態様の特徴は、互いに排他的ではなく、さまざまな組合せおよび置換にて存在し得ることが理解されるべきである。本明細書で使用される場合、用語「実質的に」および「およそ」は、±１０％、いくつかの実施態様では±５％を意味する。「本質的に〜からなる」という用語は、本明細書中で別途定義されない限り、機能に寄与する他の物質を排除することを意味する。それにもかかわらず、このような他の物質は、集合的にまたは個別に微量で存在してもよい。本明細書では、「（放射）線」および「光」という用語は、他に示されない限り互換的に利用される。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の実施態様は、基板から周囲の環境に伝達される光の全内部反射を最小限に抑えることによって、ＵＶ  ＬＥＤのような発光デバイスの光子取出し効率を高める方法を含む。この技術は、短波長ＵＶ放射に対して透明な封止剤（例えば、エポキシ）の薄層（例えば、約１０μｍ、またはさらに薄い）を使用する。図１Ａは、半導体ダイの表面１２０に配置された封止剤１１０を有する半導体ダイ１００と、封止剤１１０を介してダイ１００に取り付けられるであろうレンズ１３０とを示す。いくつかの実施態様では、封止剤１１０は、ダイ１００をレンズ１３０に取り付ける前に、ダイ１００の表面１２０の代わりに、またはその表面１２０に加えて、レンズ１００の表面１４０に適用される。
【００４２】
半導体ダイ１００は、ＬＥＤまたはレーザなどの発光デバイスを含むか、または本質的にそれからなることができる。さまざまな実施態様において、ダイ１００はＵＶ光、例えばＵＶＣ光を放出する。発光ダイ１００は、ＡｌＮ基板と、その上に、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、またはそれらの任意の２元または３元合金を含むか、または本質的にそれらからなる１つ以上の量子井戸および／または歪み層を、ダイ１００の「活性」発光領域内に含む。さまざまな実施態様において、ダイ１００は、２００６年８月１４日に出願された米国特許第７，６３８，３４６号、２０１０年４月２１日に出願された米国特許第８，０８０，８３３号、および／または２０１４年３月１３日に出願された米国特許出願公開第２０１４／０２６４２６３号に詳述されたものに類似の基板および／またはデバイス構造を含み、各々の全開示がここに参照によって組み入れられる。
【００４３】
封止剤１１０は、有機および／またはポリマーであってもよい。本発明のさまざまな実施態様においては、封止剤１１０はシリコーン系であり、例えば、シリコーン油および／またはシリコーン樹脂を含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。レンズ１３０の取り付けに先立って、ダイ１００の表面１２０は、レンズからの光取出しを最大にするために（すなわち、レンズ１００の漏れのための臨界角を増加させることによって）、２０１０年４月２１日出願の米国特許出願第１２／７６４，５８４号に記載されているように、例えば、粗面加工、テクスチャ加工、および／またはパターン化処理され得る。
【００４４】
図１Ｂに示すように、レンズ１３０は、封止剤１１０（接着性をも有し得る）を介してダイ１００に取り付けられる。レンズ１３０は、典型的には硬質であり、さまざまな実施態様においては、少なくとも部分的に半球形状である。レンズ１３０は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、実質的に半球状であってもよく、または実質的に半球状の部分、および実質的に円筒状の部分から構成されてもよい（後述する）。いくつかの実施態様においては、レンズ１３０は、図１Ｃに示されるように、実質的に平板、または図１Ｄに示されるように、レンズからの光取出しを改善するためにパターン化またはテクスチャ加工された表面を有する平板を含むか、それから本質的になるか、それからなる。
【００４５】
レンズ１３０は、典型的には無機であり、例えば、溶融シリカ、石英、および／またはサファイアを含むか、本質的にそれらからなるか、またはそれらからなることができる。 いくつかの実施態様においては、封止剤１１０は、十分な流動性を提供し、レンズ１３０とダイ１００との間の界面を実質的に隙間なく形成するために、（例えば、約６０℃まで）加熱される。典型的には、封止剤１１０は、レンズとダイの間の接触後であっても、レンズ１３０をダイ１００上に適切に位置決めを可能にするために十分な粘度を有する温度に加熱される。（少なくともいくつかの態様において、シリコーン油などの液体封止剤が室温で適用され得る。）いくつかの実施態様においては、ダイ１００および／またはレンズ１３０に力（図１Ｂの矢印１５０で表される）が、それらの間の空間を最小限に抑え、よってその中の封止剤１１０の厚さをも最小にするために適用される。
【００４６】
封止剤１１０が劣化する（例えば、ダイ１００からのＵＶ光に曝露されるために）実施態様においてさえも、層の薄い厚さは、装置の性能の壊滅的な劣化を防止し得る。レンズ１３０がダイ１００上に配置された後、封止剤１１０を硬化させ、レンズ１３０のダイ１００への付着を固化させるために構造体全体をさらに高い温度（例えば、約１５０℃〜約１７０℃で０．５時間〜２時間）まで上昇させ得る。
【００４７】
封止剤１１０は、いくつかの態様において、レンズ１３０がダイ１００上に位置付けされる前に、少なくとも部分的に硬化されてもよい。例えば、封止剤（例えば、レンズ１３０および／またはダイ１００に供給される）は、例えば約１５０℃〜約１７０℃に０．５時間〜１時間加熱される。
【００４８】
本発明のさまざまな実施態様は、少なくともＵＶ光への曝露の初期の間、かかる層の劣化の影響を改善するために、封止剤の薄い層を利用する。例えば、特に高出力ＬＥＤの場合、本発明のさまざまな実施態様は、２０１２年７月１９日出願の米国特許出願第１３／５３３，０９３号に詳述されているように、約１０μｍ未満の厚さを有する封止剤の層を利用し、 その全開示は参照により本明細書に組み入れられる。
【００４９】
さまざまな実施態様においては、デバイス（例えば、ダイ１００、封止剤１１０、およびレンズ１３０を含む）は、封止剤１１０の硬化の前、最中および／または後に、封止剤１１０中またはその近傍で捕捉された空気および／または泡の除去を促進するために、真空に付されてもよい。例えば、装置は、１０Ｔｏｒｒの真空下で真空オーブン内に配置し得る。 真空は、室温（例えば、約２５℃）で、または封止剤１１０が少なくとも部分的に同時に硬化される場合、硬化温度（例えば、上記のように）で、または室温と硬化温度との間の中間温度で適用されてもよい。 真空は、例えば、約５分〜約２０分の時間、または硬化時間（例えば、上記のように）、または約５分〜硬化時間の間、適用されてもよい。
【００５０】
さまざまな実施態様において、封止剤層を可能な限り薄くすることによって、デバイス全体（すなわち、硬質レンズが取り付けられた半導体ダイ）の寿命が改善される。そのような厚さの最小化は、硬化プロセス中にレンズおよび／またはダイに力を加えることによって達成され得る。封止剤の厚さの最小化は、典型的に、封止剤が熱膨張不一致の緩衝材として機能するための封止剤の厚さを不十分にする（この場合、封止剤の厚さを増加させて封止剤を通じての歪みの伝播を防止し、装置の信頼性を向上させる）。図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂは、本発明のさまざまな実施態様による、組み立てられたデバイス内の歪みプロファイルに対する（例えば、発光中のダイの上昇した温度に起因する）温度変化の影響を示す。
【００５１】
図２Ａおよび図２Ｂは、組み立てられたデバイスおよび概ね室温での（例えば、組み立て後であるが、ダイ１００が動作していない間の）封止剤１１０の歪み状態を示す。図示されているように、デバイスは、それが組み立てられた概ね温度にあるので、熱膨張のダイ１００とレンズ１３０との膨張が異なるという事実にもかかわらず、ダイ１００とレンズ１３０との間に生じる、または伝播する熱不一致による歪は概ねない。図２Ｂは、この状況において、このような熱不一致による歪みを示す封止剤１１０内に剪断応力が実質的にないことを示している。
【００５２】
対照的に、図３Ａおよび３Ｂは、組み立てられたデバイスおよび高温における封止剤１１０の歪み状態（例えば、ダイ１００の動作中）を示す。示されるように、レンズ１３０とダイ１００の熱膨張係数の差は、封止剤１１０の層全体にわたる剪断応力と変形によって示されるように、それらの間に伝播する熱不一致による歪みをもたらす。具体的には、この場合、封止剤１１０の厚さは、熱不一致によって誘発される歪みに対応し、ダイ１００とレンズ１３０との間の歪みの伝播を防止するには不十分である（封止剤の厚さが十分に厚い対照的な場合、封止剤層の少なくとも一部は、層内の剪断応力が比例して小さくなるので、図２Ｂに示す封止剤１１０に非常に似ている）。
【００５３】
ダイ１００の線熱膨張係数は、レンズ１３０の線熱膨張係数より大きくてもよく、例えば、約１０倍以上大きくてもよい。一実施態様においては、ダイ１００（または１つ以上の活性発光層を支持するそれらの少なくとも基板の部分）は、単結晶ＡｌＮを含むか、または実質的にそれからなり、約５×１０−６／Ｋの線熱膨張係数を有し、一方でレンズ１３０は、シリカを含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなり、約０．６×１０−６／Ｋの線熱膨張係数を有する。封止材１１０の厚さ全体にわたる剪断応力の量、ひいてはレンズ１３０とダイ１００との間で伝播する熱膨張の不一致による歪みの量にもかかわらず、組み立てられた装置の光学性能は、封止材１１０の光誘発による劣化に起因する光透過率の低下を制限する、封止剤の最小化された厚みに起因して、驚くほど優れる。
【００５４】
熱不一致による歪みの影響は、例えば発光層が形成される基板の少なくとも一部の除去によって、ダイ１００の厚さを減少させることによって減少させることができる。このような薄膜化は、２０１０年４月２１日出願の米国特許第８，０８０，８３３号に記載されているように、図１Ａおよび図１Ｂを参照して上述した表面パターニングに加えて、またはそれに関連して実行し得、その全開示は本明細書中に参照によって組み入れられる。図４Ａは、基板６００と、その上に、ダイ１００の活性（すなわち、発光）領域を含む１つ以上のエピタキシャルに堆積された半導体層を含むか、または本質的にそれからなる層状領域６１０を組み込んだ半導体ダイ１００を概略的に示す。基板６００は、典型的には、ケイ素、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはＡｌＮなどの半導体材料であるが、さまざまな実施態様において、単結晶ＡｌＮを含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる。ダイ１００が発光デバイスである実施態様においては、層状領域６１０は、典型的には、当業者に知られているように、１つ以上の緩衝層、キャップ層、コンタクト層、量子井戸、多重量子井戸（ＭＱＷ）領域（すなわち、薄いバリア層によって隔離された多重量子井戸）を含む。
【００５５】
熱不一致による歪みのダイ１００への影響を緩和し、ダイ１００からの光透過性を高めるために、図４Ｂに示すように、基板６００の少なくとも一部を除去し、および／またはテクスチャ加工し得る。例えば、基板６００が約２０μｍより大きい総厚さ変動を有する場合、裏面１２０は、例えば、６００〜１８００のグリットホイールで研削され得る。このステップの除去速度は、基板６００または層状領域６１０の損傷を回避するために、低レベル（約０．３〜０．４μｍ／ｓ）に意図的に維持することができる。任意の研削ステップの後、裏面１２０を例えばＫＯＨと水との緩衝溶液中の蒸留水と市販のシリカのコロイド懸濁液との等量部の溶液の研磨スラリーで研磨し得る。このステップの除去速度は、約１０μｍ／分〜約１５μｍ／分の間で変動し得る。基板６００は、本発明の範囲がこの範囲に限定されないが、約２００μｍ〜約２５０μｍの厚さまで、または約２０μｍ〜約５０μｍの厚さまでさえ薄くし得る。他の実施態様においては、基板６００は、約２０μｍ以下まで薄くされるか、または実質的に完全に除去される。薄肉厚化工程の後に、例えば１つ以上の有機溶媒中でのウェハ洗浄を行ってもよい。本発明の一実施態様において、洗浄ステップは、沸騰アセトンに約１０分間基板６００を浸漬した後、沸騰メタノールに約１０分間浸漬することを含む。
【００５６】
基板６００が洗浄されると、その表面１２０は、適切な溶液（例えば、脱イオン（ＤＩ）水中のＫＯＨのような塩基性溶液）中でエッチングすることによってパターン化され、すなわちテクスチャ加工され得る。本発明の別の実施態様では、エッチング剤はＤＩ水中のＮａＯＨの溶液である。塩基性溶液のモル濃度は、約１Ｍ〜約２０Ｍの間で変動し得、エッチング時間は、約１分〜約６０分の間で変動し得る。エッチング溶液の温度は、概ね室温から約１００℃までの間で変動し得る。より高いモル濃度の溶液をより短期間使用する場合には、同様の結果が得られ、逆も同様である。本発明の一実施態様においては、溶液を約２０℃に維持しながら、ＫＯＨおよびＤＩ水の４Ｍ溶液中で８分間、基板６００をエッチングする。
【００５７】
硬質レンズ１３０は、所望の材料のより大きな部分から所望の形状およびサイズに形成されてもよく、または所望の形状およびサイズに直接「成形」されてもよい。例えば、本発明のさまざまな実施態様によれば、レンズ１３０を形成するためにゾル・ゲルプロセスが利用される。例えば、溶融シリカレンズを製造するために、ナノスケールのシリカ粒子を含有する前駆体化学溶液が、金型内に挿入され、そこで、それは増粘してゲルになる。次いで、増粘された部分が金型から取り除かれ、乾燥され、ガスで満たされ得る細孔を有する開孔材料が得られる。乾燥した部品は、例えば１０００℃を超える温度で焼結され、その間、部品は所望の寸法に収縮し、深紫外線の高い透明度を有する、溶融シリカとほぼ同じ材料に圧縮する。
【００５８】
レンズ１３０は、微量の炭素または、例えば前駆体溶液からの他の元素を含有することができる。「溶融シリカ」などの本明細書のレンズの指定は、たとえそのような材料も炭素のような微量元素を含むとしても、（ゾル−ゲル法のような）溶液加工によって形成されるかかる材料を包含する（本発明のさまざまな実施態様において、レンズ１３０は１ｐｐｍ未満の炭素含有量を含有するが）。ゾル−ゲル法のような成型可能なプロセスは、上述の溶融シリカレンズのような硬質レンズを製造する際に、高い再現性と低コストで正確な寸法および形状のチューニングを可能にする。
【００５９】
空気と比較して封止剤１１０の屈折率が大きい（例えば、２６０ｎｍで約１．４）ため、基板６００（例えば、ＡｌＮ）から封止剤への全内部反射のスネルの法則から計算される臨界角１１０が増加し、これにより装置の光子取出効率が順次増加する。レンズ１３０は、レンズ１３０が同様の屈折率（例えば、２６０ｎｍで約１．５）を有することができるので、封止剤１１０からの光の実質的に全てを取り出す。レンズ１３０はまた、ダイ１００から可能な限り多くの光を取り出すために、典型的にはダイ１００よりも（例えば、幅または直径のような横方向の寸法に沿って）サイズが大きい。一実施態様においては、ダイ１００は、側部で約０．８ｍｍ、レンズ１３０は、直径が約２ｍｍの半球状である。図５に示すように、例示的なＵＶ  ＬＥＤの出力は、封止剤１１０の薄層でダイ１００に取り付けられた半球状の溶融シリカレンズ１３０を追加することによって、約２．６倍に増加する。図５は、波長の関数として、レンズ１３０なしで放出される光の強度７００と、レンズ１３０によって放出される光の強度７１０のプロットを含む。
【００６０】
発光半導体ダイ１００、例えばＬＥＤの放射パターンは、無機レンズ材料の選択およびその表面の形状によって改善することもできる。図６は、封止剤１１０の薄層を有するＬＥＤダイ１００に取り付けられたサファイアレンズを有する場合と有さない場合のＬＥＤからの放射パターンの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す。示されるように、レンズ１３０を有さないＬＥＤダイ１００の遠視野像８００は、約１２０°のＦＷＨＭを有し、サファイアレンズ１３０を有する場合、遠視野像８１０は約７２°のＦＷＨＭを有する。遠視野像は、以下に詳述するように、円筒状半球状レンズの使用によってさらに低減され得る。
【００６１】
典型的には、半球レンズの取り付け後のＬＥＤによって放出される放射パターンは、封止剤が非常に薄く保たれている場合、レンズの取り付け後にランベルト状態（図６に示すように）のままである。しかし、放出面のサイズは、一般に、レンズの追加によって拡大される。この拡大の量は、レンズの屈折率と等しくなり、レンズの直径をＬＥＤのサイズと比べて大きくすることによって、ＬＥＤの歪みが低減される。つまり（図７に示すように）、
【００６２】
【数１】
2017521872.tif 000003
【００６３】
【数２】
2017521872.tif 000004
【００６４】
【数３】
2017521872.tif 000005
【００６５】
【数４】
2017521872.tif 000006
【００６６】
ここで、光線９００は、半球レンズ１３０の平面９２０に垂直な方向にＬＥＤ１００上の点９２０から放出される光線であり、Ｘ１は、点９２０とＬＥＤ１００の中心点９３０との間の距離であり、Ｘ２は、光線９００の出射線の逆延伸線が平面９２０と交差する点９４０と中心点９３０との間の距離であり、ｒは半球レンズ１３０の半径であり、θ１は光線９００の入射角であり、θ２は光線９００の透過角である。ｎは半球レンズ１３０の屈折率であり、光線９５０は、点９１０から中心点９３０の直上の点を通って放出される光線であり、Ｘ３は、光線９５０の出射線の逆延伸線が半球レンズ１３０の平面と交差する点９６０と中心点９３０との間の距離であり、θ３は光線９５０の入射角であり、θ４は光線９５０の透過角である。
【００６７】
上記式（１）および（３）に示すように、Ｘ１がｒよりもはるかに小さい場合、Ｘ２／Ｘ１およびＸ３／Ｘ１は共にｎに収束し、２つの予備延長線は、レンズ１３０の平面上のほぼ同じ点で交差する。レンズ１３０の半径ｒの２倍（すなわち直径）に相当するエッジ長さ（または円形ダイの直径）を有するダイ１００の場合、ダイ１００の（したがって、ダイ１００から放出される光からの）像は歪んでいる。したがって、本発明のさまざまな実施態様においては、レンズ１３０の直径は、ダイ１００からの光の歪みを最小にするために、ダイ１００のエッジ長さまたは直径よりもかなり大きい（例えば、少なくとも２倍、５倍またはさらに１０倍以上）。
【００６８】
ダイ１００（例えば、ＬＥＤ）の遠視野の発散は、図８および９に示すように、円筒状成分と同様に半球状成分の形状を有するレンズ１３０の使用によって、本発明のさまざまな実施態様による光子取出し効率にほとんどまたは全く影響を与えずに改善される。図８は、粗面化された（すなわちテクスチャ加工された）表面１２０を有し、かかるレンズ１３０に封止剤１１０の薄い層（例えば、シリコーン系の封止剤）を介して取り付けられる、ＬＥＤダイ１００（例えば、中間ＵＶ  ＬＥＤ）を表わす。図示のように、レンズ１３０は、半球部分１０００と、厚さまたは“シリンダ高さ”１０２０を有する、（例えば、半球部分１０００の最大直径のそれに等しい一定直径を有する）円筒部分１０１０とを有する。さまざまな異なる実施態様の光子取出し効率および遠視野の発散を測定するためにシミュレーションが行われた。
【００６９】
結果は、図９のケース１として示される、レンズ１３０または封止剤１１０のない裸の（しかし、粗面加工された）ＬＥＤについての光子取出し効率のベースライン値と比較される。ケース２および３は、レンズ１３０が純粋に半球（すなわち、円筒形構成要素なし）の態様を表わし、光子取出し効率の上記の増加および遠視野の発散における穏やかな改善を実証する。図９に示すように、レンズの円筒状構成要素の厚さを厚くすることで、光子取出し効率にほとんど有害な影響を及ぼさない、少なくとも４０°ＦＷＨＭまで、さらに、光子取出し効率に僅かな影響しか及ぼさない、低いレベル（すなわち、少なくとも２５°に）まで遠視野の発散を減少させることができる（これはケース１のベースライン値の光取出し効率よりも大幅に改善された状態である）。このほぼ平行化されたＵＶ光ビームは、集中ビームを利用する特定の応用には非常に望ましい。図９にも示されているように、レンズ直径の増加はまた、上述のように、光子取出し効率を改善し、遠視野の発散を減少させる傾向がある。
【００７０】
単一の半導体ダイの光取出し効率を改善することに加えて、本発明の実施態様は、２つ以上の半導体ダイ（例えば、ＬＥＤダイ）の配列を利用する場合に同様の結果を示す。例えば、ダイの４×４配列は、光の歪みを最小限に抑えるために、エッジ長さまたは配列の直径よりも著しく大きい（例えば、少なくとも２倍、５倍、またはさらに１０倍以上の）直径を有する硬質レンズで使用することができる。異なるサイズの配列（すなわち、ダイの異なる数）に対してモデリングを行い、単一の小型半導体ダイを組み込んだ実施態様と比較して光子取出し効率の同様の改善を達成するためには、完全配列のエッジ長さまたは直径と比較して比較的大きな直径のレンズが必要であることを示した。モデル化の結果を以下の表に示す。
【００７１】
【表１】
2017521872.tif 000007
【００７２】
加えて、発光半導体ダイの３×３配列を直径６ｍｍの硬質レンズと一体化し、レンズが光子取出し効率を完全に最適化するのに十分に大きくないにもかかわらず、１．４×の光取出し効率の改善を示した。したがって、さらに大きなレンズを組み込んだ本発明の実施態様は、２倍またはそれ以上さえの光子取出し効率の改善を示す。
【００７３】
本発明のさまざまな実施態様は、ＵＶ光への曝露によって劣化する、シリコーン油またはシリコーン樹脂などの有機封止剤を組み込む。特に、そのような有機封止剤は、ＵＶ光に曝露されたとき（例えば、デバイスによる初期の発光の間）に、部分的酸化を経験し、封止剤の屈折率を変え、および／またはそこから発光ダイからの光が拡散する小さな局所領域を形成し、レンズに到達し、最終的にそこから放出されるＵＶ光の量を減少させる。本発明のさまざまな実施態様によれば、このような封止剤は、驚くべきことに、そして有利には、最終的なパッケージングの前の焼き付けの間に、ＵＶ光への追加の曝露によって、非化学量論的なシリカ材料に少なくとも部分的に変換され、顧客へ出荷され、および／または発光ＵＶ光を利用して大型システムまたはデバイス（例えば、液体および／または気体用の消毒、精製、および／または殺菌システム、医療機器、画像形成システム、硬化システム、印刷システム、光学センサなど）に組み込む。
【００７４】
具体的には、封止剤の炭素含有量は、封止剤が少なくとも部分的に非化学量論的なシリカ材料に変換されるにつれて、例えば、４０原子％未満、３０原子％未満、またはさらには２０原子％未満に減少し、封止剤の透過率はかなり向上し、デバイスの少なくとも数千時間の動作に対して堅牢である。さまざまな実施態様においては、ＵＶ光に曝露された後、封止剤は、炭素、酸素およびケイ素から本質的になるか、またはそれらからなる非化学量論的シリカ材料に変換され、そこにおいて炭素含有量が１ｐｐｍを超え（いくつかの場合においては、１原子％を超える）、かつ３０原子％未満、またはさらには２０原子％未満である。そのような実施態様では、上に詳述した小さな封止剤の厚さの優先性が緩和され得、封止剤は１０μｍを超える（または５０μｍを超えさえする）厚さを有し得、および／または硬質レンズ１３０を置換するために利用され得る。
【００７５】
図１０は、上述の封止剤変換プロセスを組み込んだ、本発明の実施態様によるＵＶ発光デバイスの相対出力のグラフである。図示されているように、焼き付け期間１０００の間に（すなわち、最終的なパッケージングおよび顧客への出荷前の製造プロセス内で）カプセル材料が最初にデバイスからＵＶ光に曝露されると、出力は、２００時間未満の期間に劇的に低下する。次に、ＵＶ光に継続的に曝露された後、出力は、２００〜４００時間の期間の後に、初期出力（例えば、短い初期電力レベルの約８０％〜９０％）にほぼ等しいレベルまで徐々に上昇し、出力は、少なくとも２０００時間の期間までの顧客動作期間１０１０中のデバイス動作時間で実質的に一定のままである。図１０に示すように、最初の出力低下は、一般に、デバイス製造中およびデバイスの販売前の「焼き付け」プロセスに対応する。そのようなデバイスが顧客に提供されると、使用に伴ってそのような劇的な出力低下を示さない。図１０に示すデータは、約２６３ｎｍの波長を有するＵＶ光に曝露するためのものであるが、本発明の実施態様はこの特定の波長に限定されず、任意の波長のＵＶ光（例えばＵＶＣ光）を利用し得る。
【００７６】
図１１Ａは、本発明のさまざまな実施態様において封止剤が受け得る光化学反応を示す。示されるように、封止剤は、シリコーン油、すなわち、有機側鎖を有する液体重合シロキサンであってもよい。封止剤は発光ダイからのエネルギーの高いＵＶ光子に曝露され、封止剤は、炭素含有側鎖のヒドロキシル側鎖への中間変換を経て、徐々に非化学量論的シリカ材料（そして最終的にはシリカ）および水に変換される。図１１Ｂに示すように、変換プロセスの間に、封止剤１１０の小さな部分は、異なる屈折率を有する材料に変換され、それにより、散乱中心１１００を形成し、デバイス製造中に実施される、焼き付け中にデバイスの出力を低下させる散乱事象に導かれる。図１１Ｃに示されるように、一旦封止剤１１０の実質的な部分、または全部でさえもが、非化学量論的なシリカ材料１１１０（または最終的にはシリカ）に変換されると、散乱事象の数が減少するか、または実質的に排除され、図１０に示すように出力は高レベルに回復する。
【００７７】
図１２は、ＵＶ光に曝露される前（０時間）および４８時間および１３００時間の曝露時間後に、本発明の実施態様による封止剤のマイクロ赤外線分光法による特性評価結果を示す。図１２において、４８時間露光したサンプルを２５７ｎｍの波長のＵＶ光に曝露し、１３００時間露光したサンプルを２６３ｎｍの波長のＵＶ光に曝露した。これらの波長は限定的ではなく、本発明の実施態様は、他の波長のＵＶ光を利用してもよい。示されるように、アルキル基、Ｓｉ−ＣＨ３およびＣ−Ｈから生じるピークは、４８時間および１３００時間の曝露時間の間に大きく消失し、その間にＯ−ＨおよびＨ２Ｏのピークが現れる。特に、１３００時間後の試料の分光プロファイルは、純粋なシリカのものに非常に近似している。加えて、図１２に示すように、１３００時間、曝露した試料の出力（“Ｐｔｘ”）は、初期出力レベル（すなわち、０時間）の約７２％に回復し、４８時間曝露されたサンプルによって示される初期出力レベルの５８％よりずっと高い。
【００７８】
図１３Ａ〜図１３Ｄは、それぞれ０時間、４８時間、２００時間、および１３００時間の曝露時間で、本発明の実施態様による封止剤のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分光測定からの確認結果をそれぞれ示す。示されるように、封止剤中で検出された炭素の量は、ＵＶ曝露時間の増加と共に減少し、一方で酸素の量は増加する。 図１３Ａは、ＵＶ光に曝露される前の、初期パワー出力を有する未変換封止剤からの結果を示す。図１３Ｂに示すように、４８時間のＵＶ光に曝露した後、封止剤の炭素含有量が低下し、酸素含有量が増加し、パワー出力レベルは、例えば、異なる屈折率を有する封止剤の上述の局所領域からの散乱のために、初期出力の僅か約６０％に過ぎない。
【００７９】
図１３Ｃは、２００時間のＵＶ光に曝露した後の焼き付け期間の終了時近傍のＥＤＸ分光測定を示す。示されるように、封止剤の実質的に全てが非化学量論的シリカ材料に変換され、出力がＵＶ光への任意の露光に先立って示されたものとほぼ同じレベルに回復したので、封止剤の炭素含有量は劇的に減少した。図１３Ｄは、１３００時間、ＵＶ光に曝露した後、非化学量論的シリカ材料がより低い炭素を有する非化学量論的シリカ材料に変換され続け、それ故に（すなわち、さらにもっとＵＶ光に曝露した後）実質的に純粋なシリカに変換されるので、炭素含有量がさらに減少する（酸素含有量の付随する増加と共に）ことを示す。１３００時間後の出力レベルは、焼き付け手順中に示されたものより高いが、最初の電源投入時にデバイスによって示されるレベルよりも低い、中間レベル（図示の実施態様では７３％）で、安定化された。
【００８０】
図１４は、図１３Ａ〜図１３Ｄの封止剤のおおよその組成をデバイス動作（したがってＵＶ曝露）時間の関数としてプロットしたものである。図示されているように、デバイス動作時間が１３００時間に近づくにつれて、酸素の量が増加し、ケイ素の量がわずかに増加し、炭素の量が減少する。特に、１３００時間後、酸素含有量は純粋なシリカの約６７％に近づき、一方でケイ素含有量は純粋なシリカの３３％に近づく。図１３Ａ〜図１３Ｄおよび図１４において、４８時間露光したサンプルを２５７nmの波長のＵＶ光に曝露し、２００時間露光したサンプルを２７９ｎｍの波長のＵＶ光に曝露し、１３００時間露光したサンプルを２６３ｎｍのＵＶ光に露光したが、これらの波長は限定的ではなく、本発明の実施態様は、他の波長のＵＶ光を利用してもよい。
【００８１】
いくつかの実施態様、特に封止剤がより大なる厚さを有する実施態様においては、発光ダイに最も近い封止剤の部分のみが部分的または実質的に非化学量論的なシリカ材料に変換され、第２部分（硬質レンズにより近い）は実質的に変換されていない。いくつかの実施態様では、封止剤は、発光ダイからのＵＶ光に加えて、またはその代わりに、デバイスの発光ダイ以外の光源からのＵＶ光に曝露される。例えば、他のＵＶ  ＬＥＤまたはＵＶランプからのＵＶ光を、上から封止剤に照射して、封止剤の非化学量論的シリカ材料への変換を促進し、および／または封止剤の追加の領域を非化学量論的なシリカ材料に変換する。
【００８２】
図１５Ａ〜１５Ｈは、本発明のさまざまな実施態様によるＵＶ発光デバイスを示す。各図において、ダイ１００は、ＵＶ光への曝露によって部分的または実質的に完全に非化学量論的なシリカ材料に変換された封止剤１５００で覆われている。さまざまな実施態様はまた、上記のようなレンズ１３０を組み込む。変換された封止剤１５００は、典型的には、１ｐｐｍを超え（さらには約１原子％を超え）、約４０原子％未満、約３０原子％未満、または約２０原子％未満のレベルの炭素を含む。上述のように、レンズ１３０は、典型的には、１ｐｐｍ未満の炭素を含有するか、または実質的に炭素を含まない。図１５Ｂに示されるように、封止剤１５００は、レンズ形状に成形され得、したがって、本発明のいくつかの実施態様に存在するレンズ１３０を置換するために利用され得る（例えば、図１５Ａ参照）。図１５Ｃに示すように、レンズ１３０（丸い形状をしているか、または平板の形態をとっているか）は、必ずしもダイ１００の側面に覆いかぶさっているわけではない。さらに、図１Ｃおよび１Ｄに先に示したように、レンズ１３０はダイよりも大きく（従って、例えば少なくとも１つの側面でダイに覆いかぶさる）、光子取出しを助けるためにパターン化され、または粗面化された平板、例えばフレネルレンズを含むか、本質的にそれからなるか、またはそれらからなることができる。
【００８３】
図１５Ｄは、変換された封止剤１５００およびレンズ１３０がダイ１００の上面の上に配置され、一方で、ダイ１００の側部に近接する領域１５１０は、未変換の封止剤（すなわち、ＵＶ光に曝露されないか、または、かなりの量の封止剤を非化学量論的シリカ材料に変換するためには不十分なパワーおよび／または持続時間のＵＶ光に曝露された封止剤）、および／またはダイ１００によって放出されるＵＶ光に対して不透明なまたは該ＵＶ光を反射することができるバリア材を含むか、それらから本質的になるか、それらからなる。例えば、バリア材（例えば、Ａｌおよび／またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような別のＵＶ反射材料を含むか、それらから実質的になるか、それらからなるバリア）はダイス１００の側壁および領域１５１０の残りの部分の間に配置し得（‘６５５出願に詳述されているように）、こうしてダイ１００から放出されたＵＶ光へのかなりの曝露から遮蔽され、未変換のままである。
【００８４】
図１５Ｅおよび図１５Ｆに示すように、変換された封止剤１５００は、ダイ１００上に配置される前または後に、様々な形状（例えば、半球レンズまたは平板）に成形（例えば、成形加工によって）することができる。例えば、いくつかの実施態様では、封止剤は、ダイ１００に取り付けられる前に所望の形状に成形され、ＵＶ光に曝露される。図１５Ｈは、変換された封止剤が湾曲した上面を有し、然もなくはダイ１００の上面に合わせる態様を示す。図１５Ｇは、図１５Ｄと同様であるが、レンズ１３０は、変換された封止剤１５００を含むか、本質的にそれからなるか、またはそれからなる領域によって置換される。示されるように、デバイスは、未変換の封止剤および／またはＵＶ光に対するバリアを含むか、それらから本質的になるか、またはそれらからなる領域１５１０を未だ組み込み得る。上で詳述したように、１つ以上のバリア材料は、ダイ１００を未変換領域１５１０から分離し得る。
【００８５】
いくつかの実施態様では、封止剤の変換は、変換された封止剤１５００を脆化させ、したがって、レンズ１３０は、発光ダイ１００から緩むか、または取り外される可能性がより高くなり得る。 いくつかの態様において、図１６に示されるように追加の取付け剤または取付け材料１６００が、ダイとの接触するレンズをさらに固定するために利用され得る。例えば、取付け剤１６００は、デバイスが部分的に浸漬される樹脂（例えば、不透明であってもよいエポキシ樹脂）であってもよい。他の実施態様では、取付け剤１６００は、レンズ１３０とダイ１００（または脆化封止剤１５１０）との間の接触を維持する締付け具または他の機械的止め具を含むか、または本質的にそれからなる。
【００８６】
取付け剤１６００は、ダイ１００（または脆化封止剤１５１０）とレンズ１３０との間の界面より上に少なくともわずかに（例えば、約０．５ｍｍ以下、または約０．３ｍｍ以下、または約０．１ｍｍ以下）、装置の動作および取り扱い中のレンズをさらに安定させるために、伸ばし得る。ダイ１００とレンズ１３０との間の変換された封止剤１５１０の薄層は、明瞭化のために図１６から省略されている。さまざまな実施態様では、取付け剤１６００は、デバイスからのＵＶ光の放出を妨げ、デバイスの出力に悪影響を及ぼさないように、レンズ１３０の底面の上にさほど（例えば、０．５ｍｍを超えて）伸びない。
【００８７】
本発明のさまざまな実施態様では、有機封止剤をＵＶ光に曝露する（すなわち、発光ダイ自体から、および／またはダイ以外の第２の外部ソースから、ある時間、例えば、約１００時間〜約３００時間）焼き付け期間の後、ＵＶデバイスの製造プロセスの残りの部分が完了し、デバイスは顧客に出荷され、および／または発光ダイによって放出される、ＵＶ光を利用する大型のシステムまたはデバイスに組み込まれる。例えば、ＵＶデバイスは、品質管理チェックに付され、および／または例えば出力および／または発光波長によって容器に貯えられてもよい。デバイスは、デバイス製造業者またはデバイスが移送される（例えば、販売および出荷される）第三者顧客によって放出されたＵＶ光を有利に使用する大型システムに組み込み得る。例えば、大型システムは、液体および／または気体の消毒、精製、および／または殺菌システム、医療デバイス、画像システム（例えば、通貨の透かしの検査のための偽造防止システム）、ＵＶ硬化システム、印刷システム、光学センサなどを含むか、本質的にそれらからなる。
【００８８】
本発明のさまざまな実施態様においては、有機封止剤をＵＶ光に曝露する焼き付け期間の後、基準（すなわち、所定の最小の所望出力）よりも少ない出力を示すデバイスの拒絶を可能にするために、デバイスの出力が測定されるのである。この測定ステップは、典型的に、デバイスが顧客に出荷される前の製造プロセスにおけるテストとして実施される。焼き付け装置の約２０％〜約４０％は、例えば、焼き付け期間中の有機封止剤の非化学量論的シリカへの変換の有効性のために、最小出力基準より低い出力を示し得る。すなわち、本明細書に詳述された焼き付け手順の間または後に、デバイスの大部分は焼き付け前の出力にほぼ等しい出力を維持するが、デバイスのいくつかのパーセンテージは電力低下を示し得る。したがって、焼き付け手順に続く試験工程は、製品仕様を満たさない低出力デバイスを排除する（例えば、顧客への出荷から除外する）ために有利に利用され得る。
【００８９】
さらに、本発明のさまざまな実施態様は、焼き付け変換手順中に、通常の動作中に発光デバイスによって利用されるものとは異なる１つまたは複数の動作条件（すなわち、顧客による動作、および／または装置によって放出されるＵＶ光を有利に利用する、大型装置の範囲内の動作）を利用し得る。例えば、非化学量論的なシリカ材料への変換を促進するために、最大動作条件として推奨されるものよりも高い電流または高温の条件を焼き付け工程に適用し得る。１つの例示的な実施態様においては、ＵＶ発光デバイスの最大推奨動作電流は３００ｍＡであるが、有機封止剤の変換を容易にするために、より大きな電流（例えば４００ｍＡ）を焼き付け手順の全部または一部に（例えば１００時間）適用し得る。別の例示的な実施態様においては、ＵＶ発光装置の推奨最大ケース温度は５５℃であるが、焼き付け手順の全部または一部の間、有機封止剤の変換を促進するために、推奨最高温度（例えば８５℃）より高いケース温度を適用し得る。
【００９０】
焼き付け手順の間に、通常の動作中に利用されるものとは異なる可能性のある別の動作条件は、発光デバイスを取り巻く雰囲気中の酸素濃度である。例えば、焼き付け手順は、通常動作（例えば、大気）中に使用されるよりも高い酸素濃度雰囲気を有する雰囲気下で行なわれてもよい。本明細書で詳述するように、本発明のさまざまな実施態様において、有機封止剤は、光化学的酸化反応を介して非化学量論的シリカ材料に変換される。こうして酸化剤として過剰の酸素を導入することにより、変換反応が促進される。さまざまな実施態様において、焼き付け手順が行なわれる雰囲気は、３０％より多い酸素〜１００％までの酸素を含み得る。
【００９１】
本発明のさまざまな実施態様においては、シリコーン樹脂がＵＶ透過性封止剤として使用される。そのような場合、シリコーンを非化学量論的シリカ材料に変換することを可能にする光化学反応は、副産物としてホルムアルデヒドを形成し得る。従って、本発明のさまざまな実施態様は、ホルムアルデヒドの蓄積が、半導体ダイから放出されるＵＶ光を妨げまたは屈折させ、デバイス効率を低下させるので、（例えば、数ナノメートル〜数十ミクロンのサイズを有する）気泡の形成をもたらし、副産物のホルムアルデヒドの生成とホルムアルデヒドの外方への拡散とのバランスをとる。焼き付け手順中に発生するホルムアルデヒドの拡散はホルムアルデヒドの生成よりもはるかに遅い場合、変換プロセスは、非化学量論的シリカ材料中にホルムアルデヒドが蓄積するためにより不安定になり得る。したがって、そのような場合、焼き付け手順の全部または一部は、公称デバイス動作（すなわち、顧客による）に対して推奨される動作電流および／または温度より低い動作電流を利用して行なわれてもよい。例示的な実施態様においては、３００ｍＡの推奨動作電流を有するデバイスの場合、ホルムアルデヒドの形成速度を低下させるために、例えば２０ｍＡ〜１５０ｍＡのより低い電流を焼き付け手順の全部または一部に利用し得、結果的に光出力に有害な影響を与えるホルムアルデヒドの蓄積を回避し得る。
【００９２】
他の実施態様においては、ホルムアルデヒドの拡散は、焼き付け手順で生成されたホルムアルデヒドの蓄積を回避するために強化される。上述したように、より高いケース温度（すなわち、半導体ダイおよび／またはサブマウントなどのそのパッケージの一部または全部に適用される温度）は、変換を受ける封止剤からのホルムアルデヒドの拡散速度を増加させ得る。加えて、または代替的に、焼き付け手順の全部または一部は、ホルムアルデヒド副産物の未変換および／または変換された封止剤からの拡散を促進するために、真空雰囲気中で行われてもよい。
【００９３】
さまざまな他の実施態様において、光化学変換反応の速度は、封止剤中の酸素濃度を制限することによって、ホルムアルデヒドの拡散をその形成と比較して増加させるために、低下される。酸化反応のために、酸素を酸化剤として利用し得る。酸素源には、封止剤に溶解した酸素分子、および／または焼き付け中に大気から内側向きに拡散している酸素分子が含まれる。さまざまな実施態様において、封止剤中の酸素濃度を制限することは、光化学反応の速度を低下させるために有効である。かかる実施態様においては、封止剤中の酸素濃度は、０．１ｐｐｍ〜１原子％に制限される。このような低酸素濃度を達成するためには、低酸素雰囲気（例えば、０％〜１０％の酸素を含む雰囲気）下で、例えば実質的に純粋な窒素（または不活性ガス）雰囲気下で、混練工程を含む封止剤の調製を行い得る。
【００９４】
本発明のさまざまな実施態様において、特に、焼き付け前の発光デバイスの出力が１５ｍＷより大きい場合、デバイスは出力回復現象を示すことがある。このような回復現象では、出力は、最初に焼き付けの第１段階中に減少するが、焼き付けの後期段階で増加する。本発明者らは、回復のための機構によって拘束されることを望まず、本発明の実施態様は、それに限定されないが、以下に、考えられる機構の１つについて説明する。焼き付けの初期段階において、ホルムアルデヒドの蓄積は、気泡の形成に起因して出力の低下を引き起こし得るのである。
【００９５】
焼き付けの後期には、封止剤の変換が完了すると光化学反応が減少するので、ホルムアルデヒドの外向きの拡散がホルムアルデヒドの生成よりも比較的速くなり、結果としてホルムアルデヒドガスを含むか、または本質的にそれからなる気泡がなくなり、それによって、出力の回復を可能にする。したがって、本発明の実施態様は、焼き付け手順中のデバイスの出力を監視し、焼き付けが開始されるときの初期出力レベルに近いレベル（例えば、約８０％〜約１００％）に回復するために出力に求められるよりも長い焼き付け時間を利用する。回復を可能にする焼き付け期間は、焼き付けするデバイスの出力に依存し得る。例えば、焼き付け前に２０ｍＷの出力を有するデバイスは、少なくとも２００時間の焼き付けを利用することができ、一方で、１５ｍＷの出力を有するデバイスは、少なくとも３００時間の焼き付けを利用することができる。
【実施例】
【００９６】
［実施例１］
シリコーン樹脂を有機封止剤として利用し、リードフレームパッケージ中のＵＶ  ＬＥＤダイ上に分配した。レンズとダイとの間のシリコーン樹脂の厚さを最小にするのに十分な力を適用することにより、溶融シリカからなる硬質半球レンズをダイに取り付けた。シリコーン樹脂およびレンズを有する装置を１０Ｔｏｒｒの真空下、室温の真空オーブン中に１０分間入れ、シリコーン樹脂中に捕捉された空気を除去した。この装置を約１５０℃のオーブンで約１時間焼き付けてシリコーン樹脂を硬化させた。この例では、得られたシリコーン樹脂の厚さは約８μｍであった。接着材料としてエポキシ樹脂を分配し、リードフレームの空隙を充填し、ワイヤボンドをＬＥＤダイに被覆し、硬質レンズの底面をわずかにオーバーラップさせてその上に広げた。その後、デバイスを１６０℃のオーブンで１時間焼き付けて、エポキシ樹脂を硬化させた。硬化したエポキシ樹脂の上面は、硬質レンズの底面の上に０．２ｍｍ伸びていた。シリコーン樹脂は、ＬＥＤダイによって放出された２６５ｎｍの波長を有するＵＶ光に２００時間曝露されて、シリコーン樹脂を非化学量論的シリカ材料に変換した。得られた非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は約２０原子％であった。
【００９７】
［実施例２］
シリコーン樹脂を有機封止剤として利用し、リードフレームパッケージ中のＵＶ  ＬＥＤダイ上に分配した。レンズとダイとの間のシリコーン樹脂の厚さを最小にするのに十分な力を適用することにより、溶融シリカからなる硬質半球レンズをダイに取り付けた。シリコーン樹脂およびレンズを有する装置を１０Ｔｏｒｒの真空下、室温の真空オーブン中に１０分間入れて、シリコーン樹脂中に捕捉された空気を除去した。この装置を約１５０℃のオーブンで約１時間焼き付けて、シリコーン樹脂を硬化させた。この例では、得られたシリコーン樹脂の厚さは約８μｍであった。シリコーン樹脂は、ＬＥＤダイによって放出された２６５ｎｍの波長を有するＵＶ光に２００時間曝露され、シリコーン樹脂を非化学量論的シリカ材料に変換した。得られた非化学量論的シリカ材料の炭素含有量は約２０原子％であった。
【００９８】
本明細書で使用される用語および表現は、限定ではなく明細書の用語として使用され、そのような用語および表現の使用において、示され記載された特徴またはその一部の均等物を排除する意図はないが、特許請求された本発明の範囲内でさまざまな変更が可能であることは認識される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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