JP2006332682A - フォトニック結晶の層および拡散材料の領域を有する発光素子、ならびにこの素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＬＥＤ半導体ダイからの光抽出の大きな発光素子を提供する。
【解決手段】ＬＥＤダイ１０２の上側層１１６の屈折率と整合する屈折率を有するフォトニック結晶層１１０を、ＬＥＤダイ１０２上に設ける。フォトニック結晶層１１０には、フォトルミネセント材料が周期的に分散されて埋め込まれている。さらに、フォトニック結晶層１１０上に、拡散材料の領域１１１を設ける。この領域は、フォトニック材料層上に形成された拡散材料の層であってもよいし、拡散材料を分散させた封止材であってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、紫外線（「ＵＶ」）、可視線または赤外線（「ＩＲ」）の波長範囲で発光する。これらのＬＥＤは、一般に、狭い発光スペクトル（約±１０ｎｍ）を有する。例えば、青色ＩｎＧａＮ ＬＥＤは、４７０ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を生成する。また、緑色ＩｎＧａＮ ＬＥＤは、５１０ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を生成する。またさらに、赤色ＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤは、６３０ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を生成する。
しかし、用途によっては、所望の色の光、例えば白色光を生成するために、より広い発光スペクトルを生成できるＬＥＤを使用することが望ましい。上記の単色ＬＥＤは、発光のバンド範囲が狭いという特性があるので、広いスペクトルの色の光を生成するためにはそのままでは使用できない。よって、広いスペクトルの色の光の生成のためには、単色ＬＥＤの出力光を１つ以上の異なる波長の別の光と混合しなくてはならない。この光の混合は、１つ以上の蛍光材料を単色ＬＥＤの封止材に導入し、元の光の一部を蛍光作用によってより長い波長に変換することによって達成できる。このように構成されたＬＥＤを、本明細書では蛍光ＬＥＤと呼ぶ。元の光と変換された光との組合せによって、広いスペクトルの色の光が生成し、これを、蛍光ＬＥＤからの出力光として発することができる。蛍光ＬＥＤの製造のための最もよく知られた蛍光材料は、リン、例えばガーネット系のリン、シリケート系のリン、オルトシリケート系のリン、硫化物系のリン、チオガレート系のリンおよび窒化物系のリンからなる蛍光粒子である。通常、これらのリン粒子を透明の材料と混合して蛍光ＬＥＤの封止材を形成し、これにより、蛍光ＬＥＤの半導体ダイから発せられたる元の光が、蛍光ＬＥＤの封止材内で変換されて、所望の出力光が生成される。
従来の蛍光ＬＥＤにおける問題点は、半導体ダイから生成した光のうち、かなりの量の光が、半導体ダイと蛍光封止材との間の境界で反射することによって損失し、これにより、ＬＥＤ光出力全体が低下してしまうことである。このようなダイ／封止材の境界での反射は１つには、境界での屈折率の不整合に起因している。
上記問題点に鑑み、光源、例えばＬＥＤ半導体ダイから大きな光抽出で光を発する素子および方法が必要であり、そのような素子および方法を提供することが本発明の課題である。
上記課題を解決した発光素子およびこの素子の製造方法では、素子の光出力を増大させるために、フォトニック結晶層および拡散材料の領域を使用する。フォトニック結晶層は、光源、例えば発光ダイオードダイ上に設けられており、このフォトニック結晶層上に拡散材料の領域が配置されている。フォトニック結晶層には、異なる色の出力光を生成するフォトルミネセンス材料が埋め込まれている。フォトニック結晶層および拡散材料の領域は、様々な種類の発光素子、例えばリードフレーム実装発光ダイオード（ＬＥＤ）および表面実装ＬＥＤにおいて使用することができ、その場合、反射カップを設けても設けなくてもよい。
本発明の実施態様による発光素子は、光源と、この光源上に配置されたフォトニック結晶層と、このフォトニック結晶層上に配置された拡散材料の領域とを備えている。
本発明の実施態様による発光素子の製造方法では、光源を設け、この光源上にフォトニック結晶層を形成し、このフォトニック結晶層上に拡散材料の領域を形成する。
本発明の別の態様および利点は、以下の詳しい説明を、本発明の原理を例示した添付の図面と関連させて読むことにより明らかとなるであろう。
図１を参照しながら、本発明の一実施態様による、リードフレーム実装の発光ダイオード（ＬＥＤ）１００について説明する。ＬＥＤ１００は、ＬＥＤダイ１０２、リードフレーム１０４および１０６、ボンドワイヤ１０８、三次元（３−Ｄ）フォトニック結晶層１１０、拡散材料の領域１１１、ならびに封止材１１２を備えている。以下に詳説するように、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２からの光抽出を増大させ、これにより、ＬＥＤ１００の光出力が増大する。拡散材料の領域１１１は、ＬＥＤダイから抽出された光を拡散して、これにより、均一な色の出力光が生成する。
ＬＥＤダイ１０２は、特定のピーク波長の光を生成する半導体チップである。つまり、ＬＥＤダイ１０２はＬＥＤ１００の光源である。図１には、単一のＬＥＤダイとしてＬＥＤ１００を示しているが、複数のＬＥＤダイが設けられていてもよい。ＬＥＤダイ１０２は、紫外線ＬＥＤダイであってもよいし、青色ＬＥＤダイであってもよい。例えば、ＬＥＤダイ１０２は、青色光を発するＧａＮ系のＬＥＤダイであってよい。ＬＥＤダイ１０２は、活性領域１１４および上側層１１６を有している。ＬＥＤダイ１０２が活性化すると、ＬＥＤダイの活性領域１１４で光が発生する。発生した光の大部分は、ＬＥＤダイの上側層１１６を通ってＬＥＤ１０２から出射する。例えば、ＬＥＤダイ１０２がＧａＮ系のＬＥＤダイである場合には、ＬＥＤダイの上側層１１６をｐ−ＧａＮとすることができる。ＬＥＤダイ１０２は、接着材料１１８を使用して、リードフレーム１０４の上側表面に取り付けられるかもしくは実装されており、ボンドワイヤ１０８を介して別のリードフレーム１０６に電気的に接続されている。リードフレーム１０４および１０６は金属からなっており、導電性である。リードフレーム１０４および１０６によって、ＬＥＤダイ１０２を駆動するのに必要な電力が供給される。
この態様では、リードフレーム１０４はその上側表面に、反射カップを形成する凹部１２０を有しており、この反射カップ内にはＬＥＤダイ１０２が取り付けられる。ＬＥＤダイ１０２は、リードフレーム１０４上に実装されるので、リードフレーム１０４はＬＥＤダイのための実装構造として認められる。反射カップ１２０の表面は反射性であるので、ＬＥＤダイ１０２によって発生した光の一部は、リードフレーム１０４から離れる方向に反射してＬＥＤ１００から出射し、有用な出力光となる。
３−Ｄフォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２上に配置されており、このフォトニック結晶層上に、拡散材料の領域１１１が配置されている。つまり、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２と拡散材料の領域１１１との間に配置されている。ＬＥＤダイ１０２によって光が発生すると、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイから発せられた光の一部を受容し、拡散材料の領域１１１へ光を伝搬する。フォトニック結晶層１１０については、以下に詳説する。拡散材料の領域１１１は、フォトニック結晶層１１０からの光を受容し、その受容した光を拡散させる。図示の態様では、拡散材料の領域１１１は、フォトニック結晶層１１０上に形成されている拡散材料の層である。この拡散材料の領域１１１は、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなっている。図１に示すように、拡散材料の領域１１１は、フォトニック結晶層１１０全体にわたって延びている。しかし、別の態様では、拡散材料の領域１１１は、フォトニック結晶層１１０の一部にわたって延びていて、フォトニック結晶層の一部のみを覆っているだけでもよい。
ＬＥＤダイ１０２は、フォトニック結晶層１１０および拡散材料の領域１１１は、封止材１１２内で封止されており、この封止材１１２は、一般にはランプとして知られている。よって、拡散材料の領域１１１は、封止材１１２とフォトニック結晶層１１０との間に配置されている。封止材１１２は、主領域１２２および出力領域１２４を有している。この態様では、封止材１１２の出力領域１２４はドーム形状となっていて、レンズとして機能する。つまり、出力光としてＬＥＤ１００から発せられた光は、封止材１１２のドーム形状の出力領域１２４によって集束される。しかし、別の態様では、封止材１１２の出力領域１２４は、水平方向に平らになっていてもよい。封止材１１２は、光学的に透明の物質からなっているので、ＬＥＤダイ１０２からの光は、封止材を通って伝搬し、出力光として出力領域１２４から出射する。例えば、封止材１１２は、エポキシ、シリコン、シリコンとエポキシとのハイブリッド、アモルファスのポリアミド樹脂もしくはフルオロカーボン、ガラスおよび／またはプラスチック材料からなっていてよい。
別の態様では、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる拡散材料を、エポキシ、シリコン、シリコンとエポキシとのハイブリッド、アモルファスのポリアミド樹脂もしくはフルオロカーボン、ガラスおよび／またはプラスチック材料からなる光学的に透明の物質に添加することもできる。この態様では、上記のようにして得られた封止材１１２は、拡散材料の領域にもなりうる、つまり拡散媒体としても機能する。
図１に示すように、３−Ｄフォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２の上面に配置されている。つまり、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２と拡散材料の領域１１１との間に配置されており、封止材も拡散媒体となっている場合には、ＬＥＤダイ１０２と封止材１１２との間に配置されている。この態様では、フォトニック結晶１１０は、ＬＥＤダイ１０２の上面全体にわたって延びていて、ＬＥＤダイの上面全体を覆っている。別の態様では、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２の上面上で部分的に延びていて、ＬＥＤダイの上面の一部のみを覆っていてもよい。さらに別の態様では、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２の１つ以上の側面に部分的にまたは全体に延びていてもよい。以下により詳細に説明するように、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２からの光を制限しかつ制御するように働き、ＬＥＤダイからの光抽出を増大させる。さらに、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２の上側層１１６に対する屈折率整合媒体としての役割を果たし、これによりＬＥＤダイからフォトニック結晶層１１０内へのより多くの光の伝搬が可能となり、光抽出が増大する。
図２に示すような従来のＬＥＤでは、ＬＥＤダイ２０２と封止材２１２との間の境界２２２での反射力は、ＬＥＤダイからの光抽出を減少させる主要な要因の一つである。ダイ／封止材の境界２２２での反射力は、エスケーピングコーンもしくは放出光の最大円錐（escaping cone）２２４を規定する全内部反射（ＴＩＲ）の臨界角に、ある程度依存する。それは、ＬＥＤダイ２０２の活性領域２２６で発生した光は、より高い屈折率を有する材料、例えばＬＥＤダイ２０２の上側層２２８からは、図２の光路２３０で示すようなＴＩＲの臨界角より大きな入射角で出ていかないためである。また、入射角がＴＩＲの臨界角に近づくにつれ、つまり放出光の最大円錐２２４のエッジに近づくにつれ、反射力が上昇する。ダイ／封止材の境界２２２で反射した光は、ＬＥＤダイ２０２の１つ以上の内部層で吸収されやすい。よって、ダイ／封止材境界での反射力を低下させれば、ＬＥＤダイからの光抽出が増大する。
ＬＥＤのダイ／封止材境界での反射力を低下させる技術の一つに、ＬＥＤダイと封止材との間での屈折率整合境界層の配置がある。この屈折率整合境界層は、ＴＩＲの臨界角によって規定される放出光の最大円錐内での反射率を低下させ、ＴＩＲの臨界角を増大させる。この技術は、以下に説明するように、３−Ｄフォトニック結晶層１１０を備えているＬＥＤ１００で用いられる。
ダイ／封止材境界での反射力を低下させる別の技術は、境界を粗面化することである。これにより、ＴＩＲの臨界角より大きな角度で粗い表面に近づく光に関して、特定の微細表面、ひいては放出光の円錐がシフトするので、このような光が放出される確率が高くなる。この技術は、ＬＥＤダイ１０２の上側面を粗面化することによって、ＬＥＤ１００で用いることができる。
ＬＥＤ１００においては、フォトニック結晶層１１０が、ＬＥＤダイ１０２と拡散材料の領域１１１との間、またはＬＥＤダイ１０２と封止材１１２との間の屈折率整合境界層として機能し、ダイ／拡散材料の領域の境界またはダイ／封止材の境界での反射力は低下するので、ＬＥＤダイからの光抽出は増大する。よって、フォトニック結晶層１１０を備えているＬＥＤダイ１０２からは、フォトニック結晶層が設けられていないダイからよりも多くの光が出射する。理想的には、フォトニック結晶層１１０の屈折率は、ＬＥＤダイ１０２の屈折率と等しいことが望ましい。さらに具体的には、ＬＥＤダイの異なる複数の構造層は、通常、異なる屈折率を有しているので、フォトニック結晶層１１０の屈折率は、ＬＥＤダイ１０２の上側層１１６の屈折率に等しいことが望ましい。ＬＥＤダイからの光抽出を増大させる別の態様では、フォトニック結晶層１１０の屈折率を、ＬＥＤダイ１０２の上側層１１６の屈折率より大きくすることができる。このように、フォトニック結晶層１１０の屈折率は、ＬＥＤダイ１０２の上側層１１６の屈折率に実質的に等しいかまたはＬＥＤの上側層１１６の屈折率より大きいことが好ましいが、フォトニック結晶層１１０の屈折率を、封止材１１２の屈折率より大きく、ＬＥＤダイの上側層の屈折率より小さくして、ＬＥＤダイからの光抽出を増大させることもできる。
３−Ｄフォトニック結晶層１１０は、光学的な操作エレメントとしての役割も果たし、唯一の方向に向けて、つまりＬＥＤダイ１０２の上側面に対して垂直な封止材１１２の出力領域１２４の方向に向けて光を発する。三次元フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップ特性を示す三次元の周期的な構造を有しており、この構造を、光の操作のために使用することができる。フォトニック結晶層１１０の光学的特性によって、より多くの光を、ＬＥＤダイ１０２から封止材１１２内へと封止材１１２の出力領域１２４に向けて伝搬させることができ、これにより、より多くの光が、有用な光としてＬＥＤ１００から出射する。一態様では、フォトニック結晶層１１０の厚みは、約０．５〜１１０μｍであってよい。しかし、別の態様では、フォトニック結晶層１１０は、これとは異なる厚みを有していてもよい。
図３に、本発明の一態様による３−Ｄフォトニック結晶層１１０の拡大図を示す。この図３に示すように、フォトニック結晶層１１０は、層１１０全体にわたって周期的に分布する空洞３３４を含む基質もしくは枠構造（structural frame）３３２を有している。この枠構造３３２は、絶縁体、半導体または金属からなっていてよい。例えば、枠構造３３２は、ＡｌＧａＰ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２の材料からなっていてよい。一態様では、枠構造３３２は、単分散コロイドからなる逆オパール構造を有している。この態様では、枠構造３３２中の空洞３３４は球形である。フォトニック結晶層１１０中の球形の空洞３３４の直径は、ナノメータの範囲にあるが、それより小さくても大きくてもよい。フォトニック結晶層１１０の空洞３３４は、フォトルミネセント材料３３６を含む。しかし、別の態様では、フォトニック結晶層１１０は、フォトルミネセント材料を含まなくともよい。フォトニック結晶層１１０中のフォトルミネセント材料３３６は、ＬＥＤダイ１０２によって発生した元の光の少なくとも一部を、より長い光に変換し、これを利用して、多色光、例えば「白」色光を生成させることができる。つまり、ＬＥＤ１００から発せられた出力光の色特性は、フォトニック結晶層１１０中に含まれるフォトルミネセント材料３３６によって制御することができる。
フォトニック結晶層１１０中のフォトルミネセント材料３３６は、１つ以上の種類の非量子リン粒子（非量子的な振る舞いをするリン粒子）、例えばガーネット系のリン、シリケート系のリン、オルトシリケート系のリン、チオガレート系のリン、硫化物系のリンまたは窒化物系のリンを含んでいてよい。例えば、非量子リン粒子は、ＹＡＧ、ＴＡＧ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳｅＳ、ＣａＳ、ＳｒＧａ２Ｓ４、ＢａＧａ４Ｓ７またはＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７からなっていてよい。
別の態様では、フォトニック結晶層１１０中のフォトルミネセント材料３３６は、１つ以上の種類の量子ドットを含んでいてもよい。量子ドットは、半導体ナノ結晶としても知られ、人工的に製造された、電子および正孔を閉じ込める素子である。量子ドットの典型的な大きさは、ナノメートルから数ミクロン＋である。量子ドットは、リン粒子と同様に、光を吸収して異なる波長の光を再び発するフォトルミネセント特性を有している。しかし、量子ドットから出射される光の特性は、量子ドットの大きさおよび量子ドットの化学組成に依存し、光特性が単に化学組成のみに依存する非量子リン粒子の場合とは異なる。量子ドットは、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＰｏ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＰｏ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅおよびＣｄ（Ｓ１−ｘＳｅｘ）からなっていてよいし、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＺｒｚＴｉ１−ｚＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＣａＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３を含むの金属酸化物の群の１つからなっていてよい。
一態様では、図４に示すように、フォトニック結晶層１１０中のフォトルミネセント材料３３６は量子ドット４３８を含み、この量子ドット４３８を、フォトニック結晶層１１０の枠構造３３２の屈折率に実質的に整合する屈折率を有するコーティング材料４４０で被覆することができる。例えば、コーティング材料４４０は、チタニア（ＴｉＯ２）である。フォトルミネセント材料３３６が、非量子リン粒子を含む場合にも、このリン粒子を、フォトニック結晶層１１０の枠構造３３２の屈折率に実質的に整合する屈折率を有するコーティング材料で被覆することができる。
別の態様では、フォトニック結晶層１１０中のフォトルミネセント材料３３６は、１種以上のナノサイズのリンを含む。ナノサイズのリンは、上記の従来のリンと同様の光学特性を有する。しかし、ナノサイズのリンは、従来のリンより小さく、量子ドットより大きい。従来のリンの大きさは、１〜５０μｍ（典型的には、１〜２０μｍ）の範囲にある。ナノサイズのリンの大きさは、１μｍよりも小さいが、量子ドットよりは大きく、数ナノメートルの大きさである。このナノサイズのリンも、量子ドットおよび非量子リン粒子と同様に、フォトニック結晶層１１０の枠構造３３２の屈折率に実質的に整合する屈折率を有するコーティング材料で被覆することができる。
別の態様では、フォトニック結晶層１１０中のフォトルミネセント材料３３６は、レーザ色素、無機色素または有機色素を含む。一態様では、フォトルミネセント材料３３６は、１つ以上の種類の非量子リン粒子、１つ以上の種類の量子ドットおよび１つ以上の種類の色素（例えばレーザ色素、無機色素および有機色素）のあらゆる組合せを含む。
次に、本発明の実施態様によるＬＥＤ１００の製造方法を、図１、５Ａ、５Ｂおよび５Ｃを参照して説明する。図５Ａに示すように、ＬＥＤダイ１０２はまず、接着材料１１８を使用して実装構造、つまりリードフレーム１０４に取り付けられる。次に、図５Ｂに示すように、３−Ｄフォトニック結晶層１１０をＬＥＤダイ１０２上に形成する。
フォトニック結晶層１１０をＬＥＤダイ１０２上に形成することは、単分散コロイドをビルディングブロック（基礎単位）として使用することを含む。例えば、コロイドは、シリカもしくはポリマーコロイド球であってよく、これについては、現在、広い範囲の寸法で、しかも狭い粒度分布のものが入手可能である。このコロイドを使用して、例えば、単分散コロイドの懸濁液の遠心操作、制御下での乾燥もしくは閉じ込めのような自己集合化技術を用いて人工オパールを形成する。人工オパールは、図３に示すような周期的に空洞３３４が分布しているフォトニック結晶層１１０の枠構造３３２を生成するためのテンプレート（型）として使用される。
人工オパールの形成後、人工オパールに、ナノサイズの結晶、または絶縁体、半導体もしくは金属の前駆体を湿潤させて、フォトニック結晶層１１０の枠構造３３２を生成する。次に人工オパールに対し熱的または化学的な選択除去を行い、枠構造３３２内に周期的に分布する空洞３３４を形成する。さらに、枠構造３３２内の空洞３３４をフォトルミネセント材料３３６で充填し、これにより、フォトルミネセント材料３３６がフォトニック結晶層１１０内に埋設される。
次に、図５Ｃに示すように、拡散材料の領域１１１を、フォトニック結晶層１１０上に形成する。拡散材料の領域１１１は、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる拡散材料をフォトニック結晶層１１０の表面上に堆積させることによって形成することができる。封止材１１２が拡散材料の領域１１１となっている態様では、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる拡散材料を、エポキシ、シリコン、シリコンとエポキシのハイブリッド、アモルファスのポリアミド樹脂もしくはフルオロカーボン、ガラス、ならびに／またはプラスチック材料からなる光学的に透明の物質に任意に添加する。その後、得られた混合物を使用して、封止材１１２を形成する。
次に、図５Ｄに示すように、ボンドワイヤ１０８をＬＥＤダイ１０２およびリードフレーム１０６に取り付け、ＬＥＤダイとリードフレーム１０６とを電気的に接続する。続いて封止材１１２を、ＬＥＤダイ１０２上に形成し、これにより、図１に示すような完成したＬＥＤ１００が得られる。
図６に、本発明の別の態様によるリードフレーム実装ＬＥＤ６００を示す。同じ構成要素であれば、図６においても、図１で使用した参照符号と同じ符号を用いる。この態様では、ＬＥＤ６００は、実装構造、つまり反射カップなしのリードフレーム６０４を備えている。つまり、ＬＥＤダイ１０２が取り付けられているリードフレーム６０４の上面は、実質的に平らである。図６に示す態様では、３−Ｄフォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイの上面に全体に延びている。しかし、別の態様では、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２の上面に部分的に延びていて、ＬＥＤダイの最上表面の一部のみが覆われていてもよい。さらに別の態様では、フォトニック結晶層１１０は、ＬＥＤダイ１０２の１つ以上の側面にも部分的にまたは全体に延びていてよい。
別の態様では、ＬＥＤ６００の封止材１１２が、拡散材料の領域になっていてもよい。この態様では、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる拡散材料を、エポキシ、シリコン、エポキシとシリコンとのハイブリッド、アモルファスのポリアミド樹脂もしくはフルオロカーボン、ガラスおよび／またはプラスチック材料からなる光学的に透明の物質に任意に添加して、封止材１１２を形成することができる。
図７に、本発明の一態様による表面実装ＬＥＤ７００を示す。ＬＥＤ７００は、ＬＥＤダイ７０２、リードフレーム７０４および７０６、ボンドワイヤ７０８、３−Ｄフォトニック結晶層７１０、拡散材料の領域７１１および封止材７１２を含む。ＬＥＤダイ７０２は、接着材料７１８を使用してリードフレーム７０４に取り付けられている。ボンドワイヤ７０８は、ＬＥＤダイ７０２およびリードフレーム７０６に接続されており、これにより、電気的接続が形成されている。ＬＥＤ７００は、さらに、ポリ（ｐ−フェニレンアセチレン）（ＰＰＡ）のハウジングまたはプリント回路基板７４２上に形成された反射カップ７２０を有している。封止材７１２は、反射カップ７２０内に配置されている。図７に示す態様では、３−Ｄフォトニック結晶層７１０は、ＬＥＤダイ７０２の上面全体にわたり延びている。しかし、別の態様では、フォトニック結晶層７１０は、ＬＥＤダイ７０２の上面に部分的に延びていて、ＬＥＤダイの上面の一部のみが覆われていてもよい。さらに別の態様では、フォトニック結晶層７１０は、ＬＥＤダイ７０２の１つ以上の側面にわたり部分的にまたは全体に延びていてもよい。図７では、拡散材料の領域７１１も同様に、フォトニック結晶層７１０全体にわたって延びている。しかし、別の態様では、拡散材料の領域７１１は、フォトニック結晶層７１０上に部分的に延びていて、フォトニック結晶層の一部のみが覆われていてもよい。
別の態様では、ＬＥＤ７００の封止材７１２が、拡散材料の領域となっていてもよい。この態様では、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる拡散材料を、エポキシ、シリコン、エポキシとシリコンとのハイブリッド、アモルファスのポリアミド樹脂もしくはフルオロカーボン、ガラスおよび／またはプラスチック材料からなる光学的に透明の物質に任意に添加して、封止材７１２を形成することができる。
図８に、本発明の別の態様による表面実装ＬＥＤ８００を示す。同じ構成要素であれば、図８においても、図７で使用されている同じ参照符号を使用する。この態様では、ＬＥＤ８００は反射カップを有していない。図８に示す態様では、３−Ｄフォトニック結晶層７１０は、ＬＥＤダイ７０２の上面全体にわたって延びている。しかし、別の態様では、フォトニック結晶層７１０は、ＬＥＤダイ７０２の上面で部分的に延びていて、ＬＥＤダイの上面の一部のみが覆われていてもよい。さらに別の態様では、フォトニック結晶層７１０は、ＬＥＤダイ７０２の１つ以上の側面にわたって部分的にもしくは全体的に延びていてよい。図８では、拡散材料の領域７１１も同様に、フォトニック結晶層７１０全体にわたって延びている。しかし、別の態様では、拡散材料の領域７１１は、フォトニック結晶層７１１にわたって部分的に延びていて、フォトニック結晶層の一部のみが覆われていてもよい。
別の態様では、ＬＥＤ８００の封止材７１２が、拡散材料の領域となっていてもよい。この態様では、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる拡散材料を、エポキシ、シリコン、エポキシとシリコンとのハイブリッド、アモルファスのポリアミド樹脂もしくはフルオロカーボン、ガラスおよび／またはプラスチック材料からなる光学的に透明の物質に任意に添加して、封止材７１２を形成することができる。
以上、ＬＥＤとして本発明の異なる実施態様を説明したが、本発明によれば別の種類の発光素子、例えば半導体レーザ素子も可能である。実際、本発明は、１つ以上の光源に使用されるあらゆる発光素子に適用することができる。
発光素子、例えばＬＥＤの本発明の実施態様による製造方法を、図９のフローチャートに基づき説明する。ブロック９０２で、光源を設ける。例えば、光源はＬＥＤダイであってよい。次にブロック９０４で、フォトニック結晶層を光源上に形成する。一態様では、フォトニック結晶層に、フォトルミネセント材料を埋設させることができる。フォトルミネセント材料は、周期的に分布する洞内に埋め込まれるが、これは、単分散コロイド球を使用して行われる。次に、ブロック９０６で、フォトニック結晶層上に、拡散材料の領域を形成する。一態様では、拡散材料の領域を、フォトニック結晶層上に設けられる拡散材料の薄層にしてもよい。別の態様では、拡散材料の領域を、ＬＥＤの、ＬＥＤダイおよびフォトニック結晶層上に形成される封止材にしてもよい。
本発明の特定の態様を説明し例示したが、本発明は、ここに説明し例示した特定の形態または構成に限定されることはない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびこれと同等のものによって規定されるべきである。
以下に本発明の好ましい実施態様を示す。
１． 光源と、
前記光源上に配置されているフォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層上に配置されている拡散材料の領域と
を備えている発光素子。
２． 前記光源、前記フォトニック結晶層および前記拡散材料の領域を封止する封止材をさらに備えており、前記拡散材料の領域が、前記封止材内の、前記フォトニック結晶層上に設けられている拡散材料の層である、上項１に記載の素子。
３． 前記拡散材料の領域が、前記光源および前記フォトニック結晶層（１１０）を封止する封止材となっている、上項１に記載の素子。
４． 前記拡散材料の領域が、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる群から選択される材料を含む、上項１に記載の素子。
５． 前記フォトニック結晶層内に埋め込まれたフォトルミネセント材料をさらに含む、上項１に記載の素子。
６． 前記フォトニック結晶層が、周期的に分布する空洞を有する枠構造を含み、前記フォトルミネセント材料が、前記周期的に分布する空洞内に配置されている、上項５に記載の素子。
７． 前記フォトニック結晶層が、前記光源の上側層の屈折率に実質的に等しいかまたは当該光源の上側層の屈折率より大きい屈折率を有する、上項６に記載の素子。
８． 前記フォトルミネセント材料が、少なくとも１種の量子ドット、少なくとも１種のナノサイズリンおよび少なくとも１種の非量子リン粒子のうちの１つを含む、上項６に記載の素子。
９． 前記量子ドット、前記ナノサイズリンおよび非量子林粒子の少なくとも一部が、前記枠構造の屈折率に実質的に整合する屈折率を有するコーティング材料で覆われている、上項８に記載の素子。
１０． 前記光源が、発光ダイオードダイである、上項１に記載の素子。
１１． 発光素子の製造法であって、
光源を設け、
前記光源上にフォトニック結晶層を形成し、
前記フォトニック結晶層上に拡散材料の領域を形成する、方法。
１２． 前記フォトニック結晶層内にフォトルミネセント材料を埋め込むことをさらに含む、請求項６に記載の方法。
１３． 前記フォトルミネセント材料を埋め込むことが、少なくとも１種の量子ドット、少なくとも１種のナノサイズのリンおよび少なくとも１種の非量子リン粒子のうち１つを埋め込むことを含む、上項１２に記載の方法。
１４． 前記拡散材料の領域を形成することが、前記フォトニック結晶層上に拡散材料の層を形成することを含み、
前記光源、前記フォトニック結晶層および前記拡散材料の層を、透明の材料で封止して、前記発光素子の封止材を形成する、上項１１に記載の方法。
１５． 拡散材料を、透明の材料に添加することをさらに含み、
前記拡散材料の領域を形成することが、前記拡散材料を含有する前記透明の材料を使用して、前記発光素子の封止材を形成することを含む、上項１１に記載の方法。
１６． 前記拡散材料の領域を形成することが、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる群から選択される材料を使用して、前記フォトニック結晶層上に前記拡散材料の領域を形成することを含む、上項１１に記載の方法。
１７． 前記フォトニック結晶層を形成することが、周期的に分布する空洞を有する枠構造を形成することを含む、上項１１に記載の方法。
１８． 前記フォトニック結晶層の前記枠構造が、絶縁体、半導体および金属からなる群から選択される材料からなっている、上項１７に記載の方法。
１９． 発光半導体ダイと、
前記発行半導体ダイ上に設けられているフォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層の上に設けられている拡散材料の領域とを備えている発光素子であって、
前記拡散材料が、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる群から選択される材料を含む、素子。
２０． 前記フォトニック結晶層内に埋め込まれたフォトルミネセント材料をさらに含み、該フォトルミネセント材料が、前記枠構造の屈折率に実質的に整合する屈折率を有している、少なくとも１種の量子ドット、少なくとも１種のナノサイズリンおよび少なくとも１種の非量子リン粒子のうち１つを含む、上項１９に記載の素子。
本発明の一態様による、反射カップを備えているリードフレーム実装の発光ダイオード（ＬＥＤ）の図である。 ＬＥＤダイと従来のＬＥＤの封止材との間の境界で反射された光を示す図であり、この光の反射は、境界部での屈折率の不整合にある程度起因する。 本発明の一態様による、図１のＬＥＤ中に含まれるフォトニック結晶の層の拡大図である。 本発明の一態様による、図２のフォトニック結晶の層中に埋め込まれている、コーティング材料で被覆された量子ドットの図である。 本発明の一態様による、図１のＬＥＤの製造方法を示す図の１つである。 本発明の一態様による、図１のＬＥＤの製造方法を示す図の１つである。 本発明の一態様による、図１のＬＥＤの製造方法を示す図の１つである。 本発明の一態様による、図１のＬＥＤの製造方法を示す図の１つである。 本発明の一態様による反射カップなしの表面実装ＬＥＤの図である。 本発明の一態様による反射カップを有している表面実装ＬＥＤの図である。 本発明の一態様による反射カップなしの表面実装ＬＥＤの図である。 本発明の一態様による発光素子の製造方法のフローチャートである。
符号の説明
１００ 発光素子
１０２ 光源
１１１ 拡散材料の領域
１１２ 封止材
１１６ 光源の上側層
１１０ フォトニック結晶層
３３２ フォトニック結晶層の枠構造
３３４ 空洞
３３６ フォトルミネセント材料

Claims (10)

  1. 光源（１０２）と、
    前記光源上に配置されているフォトニック結晶層（１１０）と、
    前記フォトニック結晶層上に配置されている拡散材料の領域（１１１）と
    を備えている発光素子（１００、６００、７００、８００）。
  2. 前記光源（１０２）、前記フォトニック結晶層（１１１）および前記拡散材料の領域（１１０）を封止する封止材（１１２、７１２）をさらに備えており、前記拡散材料の領域が、前記封止材内の、前記フォトニック結晶層上に設けられている拡散材料の層である、請求項１に記載の素子（１００、６００、７００、８００）。
  3. 前記拡散材料の領域（１１１）が、前記光源（１０２）および前記フォトニック結晶層（１１０）を封止する封止材（１１２、７１２）となっている、請求項１に記載の素子（１００、６００、７００、８００）。
  4. 前記拡散材料の領域（１１１）が、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載の素子（１００、６００、７００、８００）。
  5. 前記フォトニック結晶層（１１０）内に埋め込まれたフォトルミネセント材料（３３６）をさらに含む、請求項１に記載の素子（１００、６００、７００、８００）。
  6. 発光素子（１００、６００、７００、８００）の製造方法であって、
    光源（１０２）を設け（９０２）、
    前記光源上にフォトニック結晶層（１１０）を形成し（９０４）、
    前記フォトニック結晶層（１１０）上に拡散材料の領域（１１１）を形成する（９０６）、方法。
  7. 前記フォトニック結晶層（１１０）内にフォトルミネセント材料（３３６）を埋め込むことをさらに含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記拡散材料の領域（１１１）を形成すること（９０６）が、前記フォトニック結晶層（１１０）上に拡散材料の層を形成することを含み、
    前記光源（１０２）、前記フォトニック結晶層および前記拡散材料の層を、透明の材料で封止して、前記発光素子（１００、６００、７００、８００）の封止材（１１２、７１２）を形成する、請求項６または７に記載の方法。
  9. 拡散材料を、透明の材料に添加することをさらに含み、
    前記拡散材料の領域（１１１）を形成すること（９０６）が、前記拡散材料を含有する前記透明の材料を使用して、前記発光素子（１００、６００、７００、８００）の封止材（１１２、７１２）を形成することを含む、請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記拡散材料の領域（１１１）を形成すること（９０６）が、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムおよび／または二酸化シリコンからなる群から選択される材料を使用して、前記フォトニック結晶層（１１０）上に前記拡散材料の領域を形成することを含む、請求項６から９のいずれか１項に記載の方法。
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