(57)【要約】  一つの実施例において、サブミクロンサイズの粒子のTiO2、ZrO2又は他の白色非蛍光体不活性粒子が、シリコーン封止材と混合され、ＬＥＤにおいて適用される。ある実験において、粒子は、不活性材料が封止材の約2.5重量%−5重量%の間であった場合にGaNのＬＥＤの光出力を5%より多く増加させた。一般的に、5%より大きい不活性材料のパーセンテージは、光出力を低減させ始める。ＬＥＤが黄色みがかったＹＡＧ蛍光体被膜を有する場合、封止材における白色粒子は、ＬＥＤがオフ状態である場合にＬＥＤをより白色に見えるようにさせ、このことは、ＬＥＤが小型カメラにおける白色光フラッシュとして使用される場合により魅力的である。粒子の追加は、ＬＥＤの視角及び位置にわたる色温度の変動をも低減させ、このことは、カメラフラッシュ及び投影応用例に関して重要である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光装置であって、
半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
前記ＬＥＤにおける封止材であって、当該封止材は不活性非蛍光体粒子を含むほぼ透明な材料を有し、前記粒子は、当該封止材の0.5重量%−10重量%の間であり、前記粒子は、白色環境光の下においてほぼ白色を有する、封止材と、
を含む、発光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記粒子は、TiOx又はZrOxを含む、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記粒子は、前記封止材の2.5%−7%の間で含まれる、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記粒子の平均直径は１ミクロンより小さい、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記封止材は、前記ＬＥＤにおいてほぼ平坦な表面を有する、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、更に、少なくとも前記ＬＥＤの上部表面において蛍光体の層を含み、前記蛍光体は、白色環境光の下において黄色みがかった色を有し、前記粒子を含む前記蛍光体は、前記ＬＥＤがオフ状態において前記蛍光体の外観を白色化させる、装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって、前記蛍光体は、イットリウムアルミニウム酸化物蛍光体を含む、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、前記粒子は、前記ＬＥＤがオン状態において、0%の前記粒子を有する前記封止材と比較されて、前記封止材から出る光出力を増加させる、装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置であって、前記粒子は、前記ＬＥＤがオン状態において、0%の前記粒子を有する前記封止材と比較されて、前記封止材から出される光の色温度を低下させる、装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置であって、前記粒子は、前記ＬＥＤがオン状態において、0%の前記粒子を有する前記封止材と比較されて、前記封止材から出される光の視角に対する色温度の偏差を低下させる、装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置であって、前記粒子は、前記ＬＥＤがオン状態において、0%の前記粒子を有する前記封止材と比較されて、前記ＬＥＤの上部表面に垂直な位置に対する色温度の偏差を低下させる、装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置であって、前記ＬＥＤ及び封止材が、カメラにおけるフラッシュ光源を含む、装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置であって、前記ＬＥＤの半導体部分が、青色光を発する、装置。
【請求項１４】
発光装置を製造する方法であって、
−半導体発光ダイオードにおいて封止材を形成するステップ、
を含み、前記封止材は、不活性非蛍光体粒子を含むほぼ透明な材料を有し、前記粒子は、当該封止材の0.5重量%−10重量%の間であり且つ1ミクロンより小さい平均直径を有し、前記粒子は、白色環境光の下においてほぼ白色を有する、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、更に、少なくとも前記ＬＥＤの上部表面において蛍光体の層を形成するステップを含み、前記蛍光体は、白色環境光の下において黄色みがかった色を有し、前記粒子を含む前記蛍光体は、前記ＬＥＤがオフ状態において前記蛍光体の外観を白色化させる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、光抽出の改善に関する技術に関する。本発明は、黄色みがかった蛍光体被膜を有するＬＥＤの非黄色のオフ状態色を生成することにも関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮのＬＥＤなどの半導体ＬＥＤは、空気の屈折率（n＝約1）よりもかなり高い屈折率（例えば、GaNに関してn＝2.2−3.0）を有する。ＬＥＤを、中間的な屈折率を有するシリコーン(n=1.76)などの透明材料において封止することによって、光抽出は、かなり増加される。封止材は、半導体ＬＥＤダイをも保護する。
【０００３】
高出力ＬＥＤは、現在、携帯電話カメラを含む、小型カメラにおけるフラッシュとして一般的に使用されている。ＬＥＤは、白色光を発する。フラッシュとして使用されるこのようなＬＥＤは、通常、青色光によってエネルギを加えられると黄色-緑色光を発するイットリウムアルミニウム酸化物ガーネット（ＹＡＧ）の層によって覆われる、青色光を発する１つ以上のＧａＮのＬＥＤダイである。ＹＡＧ蛍光体を通じて漏れる青色光及び黄色-緑色光の混合は、白色光を生成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＬＥＤを覆うＹＡＧ蛍光体は、ＬＥＤがオフである場合において白色環境光の下では黄色-緑色に見える。このような黄色-緑色は、概して魅力的ではなく、一般的にカメラの外観とあまりマッチしない。オフ状態におけるフラッシュの黄色-緑色を幾分除去することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一つの実施例において、TiO2、ZrO2又は他の白色非蛍光体不活性材料の粒子が、ＬＥＤにする、ほぼ透明な封止材と混合される。一つの適切な封止材はシリコーンである。封止材におけるTiO2などのサブミクロンサイズの粒子の不活性材料が、不活性材料が封止材の（重量比に関して）約2.5%−5%の間である場合にGaNのＬＥＤの輝度（ルーメンス）を5%より多く増加させる。一般的に、より高い不活性材料のパーセンテージは、光出力を低減させ始める。封止材へのこのような少ない量の粒子は、本発明者により予測されるいかなる結果をも越える驚くべき結果をもたらした。0.5%-10%における封止材におけるTiO2の範囲は、一般的に、実際に使用されるＬＥＤに依存して、輝度を増加させる。より高いパーセンテージは、封止材を通過する透過性を大きく低減させ始める。
【０００６】
チタン酸化物及びジルコニウム酸化物の両方は、塗料及びエナメル剤における白色顔料として使用される。白色と考えられる色は、ある範囲の色温度を有し、この色は、観察光によって影響を受ける。本開示において使用される白色という用語は、日光下においてほぼ白色として観察者へ見える。
【０００７】
封止材における粒子の追加によって達成される光強化は、ＬＥＤが蛍光体で被膜される又は蛍光体で被膜されないに関わらずに生じる。
【０００８】
封止材へのTiO2の追加は、特定の実験において、ＬＥＤがオンにおける発された光の色温度をわずかに低減させるが、このことは重要ではない。しかし、TiO2の追加は、180度放射角全体における色温度の変動を大いに（例えば三分の二など）低減させる。このことは、被写体全体がほぼ均一な光で照らされるので写真において重要である。
【０００９】
更に、封止材へのTiO2の追加は、パッケージにわたり色温度均一性をも向上させる。このことは、フラッシュライト又は投影器などの、ＬＥＤの拡大像を投影する光学系が使用される場合に特に重要である。
【００１０】
不活性材料（例えば、TiO2又はZrO2）が白色であるので、ＹＡＧ蛍光体被膜を含むＬＥＤの外観は、ＬＥＤがオフである場合により白色に見え、このことはＹＡＧ蛍光体の黄色・緑色よりもより魅力的である。
【００１１】
一つの実施例において、フラッシュＬＥＤモジュールは、約5重量%のTiO2を含むシリコーン封止材を使用し、この場合、封止材は、ＬＥＤ放射の形状の大きく影響を与えないように平坦な表面を有するように形成される（すなわち封止材はレンズを形成しない）。カメラは、フラッシュの光放射パターンを制御するためにフラッシュを覆うレンズを含む。別の実施例において、シリコーン封止材は、光放射パターンを形成するために、レンズへモールド形成され得る。
【００１２】
様々な図面における類似又は同一の要素は、同一の参照符号を用いて記される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、青色ＬＥＤダイ、ＹＡＧ蛍光体被膜、サブマウント、及びシリコーン封止材を含む従来技術のフラッシュＬＥＤの断面図である。
【図２】図２は、TiO2粒子が封止材に混合される、本発明の実施例に従うフラッシュＬＥＤの断面図である。
【図３】図３は、封止材におけるTiO2の追加による、オフ状態におけるフラッシュの黄色・緑色から白色への色外観の変化を例示するグラフである。
【図４】図４は、封止材におけるTiO2の追加による、オン状態におけるフラッシュの色温度の低下、及び、視角における色温度の偏差の低下、を例示するグラフである。
【図５】図５は、封止材へTiO2が追加される場合におけるＬＥＤパッケージにわたる色温度均一性の向上を例示するグラフである。
【図６】図６は、TiO2粒子が封止材と混合される、本発明の実施例に従う、蛍光体被膜のない青色ＬＥＤダイの断面図である。
【図７】図７は、封止材におけるTiO2の量の増加による出力の向上を示す、図５のＬＥＤの光出力のグラフである。
【図８】図８は、TiO2粒子が封止材と混合される、本発明の実施例に従う、フラッシュを有するカメラの前面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、いかなる種類のＬＥＤへも適用され得るが、全ての例において使用される１つの特定のＬＥＤが詳細に説明される。図１は、シリコーンで封止される従来型の白色光ＬＥＤ１０の断面図である。
【００１５】
例におけるＬＥＤ１０の活性層は、青色光を生成する。ＬＥＤ１０は、サファイア、ＳｉＣ又はＧａＮなどの、開始成長基板に形成される。一般的に、n層１２が成長され、その後に活性層１４が続き、その後にp層１６が続く。p層１６は、下に位置されるn層１２の一部を露出させるようにエッチングされる。反射性金属電極１８（例えば、銀、アルミニウム又は合金）は、この場合、n及びp層を接触させるために、ＬＥＤの表面にわたり形成される。電力をより均一に拡散するために、多くの分散型電極が存在し得る。ダイオードがフォワードバイアスされる場合、活性層１４は、波長が活性層の組成（例えばAlInGaN）によって決定される光を発する。このようなＬＥＤを形成することは、よく知られており、更に詳細には説明される必要はない。ＬＥＤを形成することの追加的な詳細は、米国特許第6,828,596号（Steigerwald  et  al.）及び米国特許第6,876,008号（Bhat  et  al.）に記載され、これらの両方は、本出願人へ譲渡されており、参照として本文書に組み込まれる。
【００１６】
半導体ＬＥＤは、この場合、フリップチップとしてサブマウント２２に装着される。サブマウント２２の上部表面は、半田ボールを介してＬＥＤにおける金属電極１８へ半田付け又は超音波溶接される金属電極を含む。他の種類のボンディングも使用され得る。半田ボールは、電極自体が一体に超音波溶接され得る場合、除かれ得る。
【００１７】
サブマウント電極は、ビアによってサブマウントの底部におけるカソード及びアノードパッド２４へ電気的に接続され、これにより、サブマウントは、通常カメラに関するフラッシュモジュールの一部を形成するプリント回路基板における金属パッドへ表面実装され得る。回路基板における金属配線は、パッドを電源へ電気的に接続する。サブマウント２２は、セラミック、ケイ素、アルミニウムなどのいかなる適切な金属からも形成され得る。サブマウント材料が伝導性である場合、絶縁層は、サブマウント材料にわたり形成され、金属電極パターンは、絶縁層にわたり形成される。サブマウント２２は、機械的支持として作用し、ＬＥＤチップにおける繊細なn及びp電極と電源との間の電気的インターフェイスを提供し、及び、ヒートシンクを提供する。サブマウントはよく知られている。
【００１８】
ＬＥＤ１０に薄型形状を有するようにさせ、光が成長基板によって吸収されるのを防ぐために、成長基板はＣＭＰによって又はレーザリフトオフ方法を用いて除去され、この場合、レーザは、基板をＧａＮから押し離す高圧気体を生成するためにＧａＮ及び成長基板の界面を加熱する。一つの実施例において、成長基板の除去は、ＬＥＤのアレイがサブマウントウェハに装着された後、及びＬＥＤ／サブマウントが（例えば切断によって）個別化される前に、実行される。半導体層の最終厚さは、約40ミクロンであり得る。ＬＥＤ層及びサブマウントは、約0.5ｍｍ厚さであり得る。
【００１９】
ＬＥＤ半導体層の加工は、ＬＥＤがサブマウント２２に装着される前又は後に実行され得る。
【００２０】
成長基板が除去された後に、蛍光体層３０は、活性層１４から発される青色光を波長変換するために、ＬＥＤの上部にわたり形成される。蛍光体層３０は、スプレー沈着される、スピンオフされる、電気泳動によって薄膜沈着される、セラミック板としてプリフォームされ且つＬＥＤ層の上部へ固定される、又は、いずれかの他の技術を用いて形成され得る。蛍光体層３０は、有機又は無機であり得る透明又は不透明結合剤における蛍光体粒子であり得る、又は焼結蛍光体粒子であり得る。蛍光体層３０によって発される光は、青色光と混合される場合、白色光又は別の望まれる色を生成する。例えば、蛍光体は、黄色光を生成するイットリウムアルミニウム酸化物ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体である（Ｙ＋Ｂ＝白色）。
【００２１】
蛍光体は、白色光を生成するために、いかなる他の蛍光体、又は、赤色蛍光体及び緑色蛍光体などの蛍光体の組み合わせであり得る（R+G+B=白色）。蛍光体層３０の厚さは、すべての例において、約20ミクロンであり得る。
【００２２】
ＹＡＧ蛍光体（すなわち、Ce:ＹＡＧ）を用いると、白色光の色温度は、蛍光体におけるCeドーピング、及び、蛍光体層３０の厚さ、に大きく依存する。
【００２３】
シリコーン封止材３２は、この場合、ＬＥＤを保護するために及び光抽出を増加させるために、ＬＥＤ構造において形成される。一つの例において、封止材は、スピンオフされる。別の実施例において、封止材は、ＬＥＤ及び蛍光体に直接モールド成形される。封止材をレンズとして使用することが望ましい場合、封止材は、モールドを用いて形成され得る。
【００２４】
図１の従来技術のＬＥＤ構造は、本発明を使用する場合の構造の改善された特性を示すために、基本線として使用されている。
【００２５】
図２は、図１のＬＥＤ構造の断面図と同一であるＬＥＤ構造の断面図であるが、この場合、TiO2粒子３４がＬＥＤを封止する前にシリコーン封止材３２と混合される。TiO2の最適量は、ＬＥＤ構造の特性に依存してシリコーンの重量の１−１０%の間にいずれかにおいて変化を有し得る。一つの実施例において、TiO2を含む封止材は、スピンオフされる。別の実施例において、TiO2を含む封止材は、ＬＥＤ及び蛍光体に直接モールド成形される。封止材をレンズとして使用することが望ましい場合、封止材は、モールドを用いて形成され得る。
【００２６】
一つの実施例において、平均TiO2粒子サイズは、0.25ミクロンであり、粒子は、ランダムに形成される。典型的な実施例において、シリコーンの厚さは、約100ミクロンである。
【００２７】
TiO2の重量パーセンテージは約5%にまで増加されるにしたがい、ＬＥＤ構造の光出力は増加する。特定の実験において、光出力は、5%の後には減少した。ある実験において、サンプルの光出力は、0%のTiO2を用いると90ルーメンスであり、5%のTiO2を用いると96ルーメンスであり、7%のTiO2を用いると93ルーメンスであり、光出力は、その後TiO2の量の増加に連れて低下していった。色温度（ＣＣＴ）も、TiO2のパーセンテージとともに変化した。ある実験において、ＣＣＴは、0%のTiO2を用いると5815Kであり、5%のTiO2を用いると5332Kであり、7%のTiO2を用いると5486Kであり、このことは、ＣＣＴは、TiO2の最高効率パーセンテージにおいて最も低いことを示している。
【００２８】
別の実験において、サンプルの光出力は、0%のTiO2を用いると145ルーメンスであり、1%のみのTiO2を用いると154ルーメンスへ上昇し、これは6%の光出力の増加である。別の実験においては、0.5%のみのTiO2を用いた場合に光出力のかなりの増加が確認された。別の実験において、5%のTiO2を用いた場合に光出力は6%増加した。TiO2の最適量は、ＬＥＤ、使用材料及び応用例の各種類に関して実験的に決定され得る。
【００２９】
図３は、CIExy色度系(1931バージョン)を用いてプロットされた、図２のＬＥＤ構造のオフ状態における色外観の変化を例示する図である。蛍光体は、ＹＡＧ蛍光体である。プランク軌跡とも呼ばれる加熱黒体カーブも、参照として示され、この場合、座標（0.32,0.33）は、約5500〜6000Kの色温度に対応する。ＬＥＤ色は、概して、x及びy値がともに0.42,0.54（プロットされず）のバルク蛍光体色値へ向かって増加するにつれてより黄色・緑色になる。蛍光体の薄い層（例えば、約20ミクロン）がＬＥＤダイにおいて形成され、ＬＥＤが図１に示されるように0%のTiO2を有する純シリコーン（約100ミクロン厚さ）で封止されると、オフ状態におけるＬＥＤの外観（例えば、カメラにおけるフラッシュなど）は、バルク蛍光体よりも黄色・緑色ではないが、黄色・緑色である。封止材が5%のTiO2と混合される場合、フラッシュはほぼ白色になる。封止材が7%のTiO2と混合される場合、フラッシュはより白色になる（更に黄色・緑色から遠ざかる）。
【００３０】
この開示の出願時において、本発明者は、性能の向上に関する理由を今もなお分析しているが、封止材へのTiO2の追加が、封止材の屈折率を幾分増加させ、そして、TiO2の色（白色）が、ＬＥＤ／蛍光体の外観を純白に近づけるようにさせると考えている。
【００３１】
図４は、ＬＥＤがオンである場合の、-90度から+90度の視角における、図２のＬＥＤ構造の色温度の図である。図は、いかに図２のＬＥＤ構造の色温度（ＣＣＴ）が、オン状態において、TiO2の量の追加に伴い非線形に変化するかを示す。この視角にわたる色偏差の望ましい低下は、5%のTiO2に関して最小（約150K）である。このことは、撮影される全体領域がほぼ同一の色フラッシュで照らされるので、写真に関して有利である。0%のTiO2プロットは、5%のTiO2を用いる偏差の約3倍である。TiO2粒子はＬＥＤからの光を散乱させる、このことが、より均一な輝度及び色を視角にわたり生成するために光を混合するのに役立つと考えられる。
【００３２】
TiO2の代わりに、ZrO2などの他の白みがかった不活性粒子も使用され得る。
【００３３】
TiO2粒子の１つの効果がＬＥＤダイにおける黄色・緑色ＹＡＧ蛍光体の外観を白色化させることであるので、本発明は、ＬＥＤフラッシュとともに使用するのに特に望ましいが、本発明は、蛍光体被膜を用いないＬＥＤの光出力全体をも向上させる。
【００３４】
封止材におけるTiO2の効果は、ＬＥＤパッケージにわたるかなりの色変動を効果的にフィルタ除去し、この場合、視角は、ＬＥＤ表面に対して垂直である。図５は、実際の実験結果を近似する図であり、ここでは、ＬＥＤパッケージにわたる色温度（約3mm幅）が測定された。測定は、封止材にTiO2を有さないＬＥＤに対して、及び、封止材にTiO2を有する同様なＬＥＤに対して行われた。封止材は、ＬＥＤにおいてオーバーモールドされる半球状レンズを形成した。ＬＥＤは、ＬＥＤチップの上部へ固定される蛍光体板を有する青色ＬＥＤであり、蛍光体は、漏れ出る青色光と組合せるとオレンジ色放射を生成した。蛍光体板は、ＬＥＤ層の縁部を覆わなかった。
【００３５】
図５において見られるように、封止材にTiO2を有さないＬＥＤの左縁部の近くにおいて、ＬＥＤの縁部からの変換されない青色光が放射されることによる色温度スパイクが存在する。左側は、ＬＥＤの縁部の近くにおいて色温度の極端な増加をあまり有さない。ＬＥＤが、ＬＥＤの像を光学系が大いに拡大するようなフラッシュライト又は投影器において使用された場合、縁部に近い青色は、投影される像において見え得る。対称的に、封止材にTiO2を有するＬＥＤの色温度の測定において確認されるように、ＬＥＤの縁部の近くにおける色温度において何の重要なスパイクも存在しないが、その理由は、TiO2がいかなるスパイクも効率的にフィルタ除去するからである。
【００３６】
図６は、TiO2粒子３２がシリコーン封止材３２と混合される、蛍光体層を有さないＬＥＤダイの断面図である。ＬＥＤダイは、青色光を発する。蛍光体層を除けばＬＥＤの全ての態様は、図２と同一である。
【００３７】
図７の図において、正方形データ点は、1000mA駆動電流での、封止材におけるTiO2のパーセンテージに対する図６のＬＥＤ構造の光出力（ｍＷ）を表す。円は、封止材を有さないＬＥＤダイの光出力を示すデータ点を表す。0%におけるデータ点は推定され、他のデータ点は測定された。確認されるように、ベアＬＥＤダイを覆う封止材においてTiO2粒子を組み込むことは、TiO2の量が約0.5%であったとしても、ＬＥＤの光出力を大いに増加させる。
【００３８】
図８は、上述の本発明を使用する携帯電話カメラであり得るカメラ４０の表現例である。フラッシュモジュール４２は、回路基板に装着される単一のサブマウントに装着される３つの青色放射ＬＥＤ４４を光出力の増加に関して含む。ＹＡＧ蛍光体層がＬＥＤを覆う。ESD保護回路も、サブマウントに装着され得、蛍光体によって覆われ得る。ＬＥＤ、蛍光体及びESD回路は、上述の有益な点を達成するために、TiO2と混合されるシリコーンで封止される。カメラレンズ４８も示される。
【００３９】
検査では、封止材に不活性粒子が追加されたＬＥＤ構造に関して何の信頼性の低下も示されなかった。
【００４０】
封止材におけるTiO2又はZrO2粒子の追加的な使用は、封止材により光を遮ること又は反射することであり得る。粒子のパーセンテージを10%を越えて増加させることによって、封止材を通ずる透過率の低減は非常に大きくなる（0%のTiO2を用いた場合の90%透過率から、10%のTiO2を用いた場合の25%の透過率へ）。粒子のパーセンテージが増加を維持する場合、封止材は、大半の光をＬＥＤへ反射して戻し側部から出す拡散性反射器のように益々なる。このような側部放射ＬＥＤは、ＬＣＤバックライトなどの特定の応用例に関して有用である。一つの実施例において、実質的に側部放射なＬＥＤを生成するために、粒子のパーセンテージは、25%を越える。
【００４１】
本発明を詳細に説明してきたが、当業者は、本開示が与えられる場合に、本文書で説明される精神及び本発明の着想から逸脱することなく本発明に対する修正がなされ得ることを理解する。したがって、本発明の範囲は、例示される及び説明される特定の実施例に制限されないことを意図される。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2012504860.tif 000011
2012504860.tif 000012
2012504860.tif 000013