JP2010532104A - 高効率白色発光ダイオードのための光学設計 - Google Patents

Abstract

白色発光ダイオード（ＷＬＥＤ）の発光効率を増加する方法であって、該方法は、ＬＥＤダイと蛍光体との間、および、蛍光体と外側媒体との間に光学機能界面を導入し、蛍光体とＬＥＤダイとの間の界面のうちの少なくとも１つは、外側媒体から離れた蛍光体によって放射された光に対する反射率、および、ＬＥＤダイによって放射された光に対する透過率を提供する。従って、ＷＬＥＤは、ＬＥＤダイを囲む第１の材料、蛍光体層、および、少なくとも１つの追加層あるいは材料を含み、追加層あるいは材料は、ＬＥＤ直接放射に対しては透明であり、蛍光体放射に対しては反射的であり、蛍光体層と、ＬＥＤダイを囲んでいる第１の材料との間に配置されている。

Description

（関連出願の参照）
本願は、２００７年６月２７日に同一出願人、Ｆｒｅｄｒｉｃ Ｓ．Ｄｉａｎａ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって出願された、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＤＥＳＩＧＮＳ ＦＯＲ ＨＩＧＨ−ＥＦＦＩＣＡＣＹ ＷＨＩＴＥ−ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥ」と題する米国仮特許出願第６０／９４６，６５２号（事件整理番号第３０７９４．２３２−ＵＳ−Ｐ１（２００７−５０３）号）を、米国特許法第１１９条に基づく優先権の恩恵として主張するものであり、全体が参照により本願に援用されている。

（発明の分野）
本発明は、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、具体的には、照明用途に使用される白色発光ダイオード（ＷＬＥＤ）のルミナス効率の改善に狙いを絞った、最適化された光学設計を提供する。
（関連技術の記述）
現在、当該技術の状態において、多数のＷＬＥＤパッケージング構成が存在する。パッケージングという用語は、広い技術範囲を包含する。ＬＥＤに関して、パッケージングは、すべての製造ステップを指し、ウェハプロセスに続く、ＬＥＤチップのダイシング、これらの、電気注入および熱放出のためのヘッダあるいは支持への輸送、二次光発光種の集積化、および、光抽出を増強しデバイスの保護およびパッシベーションを可能にする透明材料によるカプセル化を指す（この一連のステップは、異なる順序で実行され得る）。

次に、ＬＥＤダイという用語は、エレクトロルミネッセンス一次発光種（量子井戸あるいは、他のタイプの半導体ヘテロ構造）を含む半導体チップを指す。蛍光体（ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ）という用語は、大部分の損失なしで、光学的に励起された二次発光種を指す。

ＷＬＥＤをパッケージングする多くの方法から、主として、蛍光体インテグレーションのための２つの主な構成がある。それらは、蛍光体オンチップおよび遠隔蛍光体構成である。

図１に示すように、蛍光体オンチップ構成１００において、蛍光体１０２は、チップ１０４をコーティングする紛体、あるいは、チップ１０４を囲むレジンとの混合物のいずれかとして、異なる濃度および幾何学的大きさで、半導体ＬＥＤダイ１０４の直接近傍に配置される。ＬＥＤダイ１０４は、通常、反射ヘッダあるいはＬＥＤカップ１０６の上に固定され、電気的注入および熱シンクを提供し、透明エポキシ１０８（レジン、シリコーン等）に埋め込まれる。

透明エポキシ１０８の使用は、透明エポキシが、近紫外、可視および赤外波長領域において、空気よりも高い屈折率（ｎ）を有しているので、デバイス１０４の光抽出効果を増加することを可能にする。高い屈折率の半導体チップ１０４（通常、ほとんどの半導体に対して、ｎ＞２）内から放射される光は、チップ１０４内の光の屈折角が光脱出コーン内にある場合にのみ、つまり、全反射（ＴＩＲ）臨界角θ_ｃより下である場合にのみ、外に脱出でき、θ_ｃは、ＬＥＤダイ１０４を囲む媒体の屈折率ｎ_ｏｕｔおよびＬＥＤダイ１０４の屈折率ｎ_ｉｎに依存し、θ_ｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_ｏｕｔ／ｎ_ｉｎ）である。θ_ｃの値は、ＧａＮ ＬＥＤダイ１０４（ｎ_ｉｎ＝２．５）の外装媒体が、空気（ｎ_ｉｎ＝１）から共通の透明エポキシ１０８（ｎ_ｉｎ＝１．４５）へ変化する場合、２４°から３５°に増加する。

光抽出のこの増加が起きるために、（１）ＬＥＤチップ１０４およびエポキシ１０８が接近して接触（たとえ、空気あるいは真空の薄い層がＬＥＤチップ１０４をエポキシ１０８から分離する場合であっても、光抽出におけるポテンシャル増加はキャンセルされる。）し、かつ、（２）エポキシ１０８と外部媒体（通常、空気）との間の界面は、ＬＥＤダイ１０４および蛍光体１０２から抽出された光線の大部分が、この界面１１０上に、全反射の臨界角（屈折率〜１．４５のエポキシ１０８に対して、θ_ｃ〜４３°）よりももっと小さい入射角で衝突するように、湾曲あるいは形作られている。

ＬＥＤダイ＋カップ＋レジン＋蛍光体アセンブリの全体は、従って、透明エポキシあるいは光学ガラスから作られ得る半球状あるいはドーム型材料１１２（光学レンズ）の中に配置される。この形状により、大部分の光線はほとんど０°（θ_ｃ〜４３°）で入射され、反射率は最小にされる。

しかしながら、蛍光体オンチップ構成１００では、蛍光体１０２から下方に放射された光線（つまり、ＬＥＤダイ１０４およびヘッダあるいはＬＥＤカップ１０６に向かって放射された）は、ＬＥＤチップ１０４に含まれた一次発光種を電気的に注入するために必要な、ＬＥＤメタルコンタクトおよびドープされた半導体層によって、部分的に吸収される。実際、これらの光線が脱出するために、これらは、ＬＥＤダイ１０４を横切って下方に伝播し、十分な反射層（ＬＥＤダイ１０４の底面あるいは、ＬＥＤカップ１０６の上のいずれかに含まれる）によって上方に反射され、再びＬＥＤダイ１０４を横切って、その後、蛍光体層１０２を通って、吸収されることなく伝播しなければならない。加えて、蛍光体１０２を光学的に励起するために使用されるＬＥＤダイ１０４から抽出された一次光に加えて、蛍光体１０２によって上方に放射された光線は、大きな蛍光体粒子（通常、直径で５μｍより大きい）の存在が原因で、多重反射、屈折および散乱現象を受けるが、蛍光体粒子は、屈折率（希土類ドープのＹＡＧ蛍光体に対してｎ〜１．７５）を有しており、この屈折率は、通常、蛍光体粒子が埋め込まれているマトリックスの屈折率（ｎ〜１．４５）より異なっている。これらの散乱現象は、光の吸収確率を増加する。最後に、この構成１００において、蛍光体１０２は、動作中、ＬＥＤ接合１１４の高温に直接接触しており、温度は、１５０℃よりも高い温度に到達し得る。そのような温度上昇では、蛍光体１０２の劣化速度が増加し、内部量子効率が通常減少する。

これらの負の効果は、遠隔蛍光体構成２００を使用することによって、部分的には除かれる。この構成２００において、蛍光体２０２はＬＥＤダイ２０４から離されている、つまり、それらは、図２に図示されたように、ＬＥＤダイ２０４の上面２０４ｓから少なくとも２００μｍ離れて配置されている。この構成２００は、金属およびドープされた半導体層による散乱および吸収によって引き起こされる光吸収確率を減少することによって、ＷＬＥＤの総発光効率を増加することを可能にする。加えて、この構成２００は、動作中のＬＥＤダイ２０４の付近にある温度上昇領域から離れて、蛍光体２０２を配置している。レジン２０６、ＬＥＤカップ２０８、および光学レンズ２１０がまた図２に示されている。

遠隔蛍光体構成においては、蛍光体適用の異なる可能性がある。図３は、遠隔蛍光体構成３００の例を示しており、蛍光体３０２はドーム形状の光抽出光学レンズ３０４をコーティングしている。ＬＥＤダイ３０６、レジン３０８、およびＬＥＤカップ３１０もまた図３に示されている。

前の構成、およびそれらの可能性のある幾何形状のすべては、ドーム形状の光抽出光学レンズ１１２、２１０、あるいは３０４の組合せで使用されることに限定はされない。同様な光抽出性能を得るために、逆切頭円錐が代わりに使用され得る。図４において、蛍光体４００は、レジンあるいは光学ガラスで形成され得る逆切頭円錐形状の光学レンズ４０２の上に配置されているが、図５では、図４の全体アセンブリ４０４（蛍光体４００、光学レンズ４０２、ＬＥＤダイ４０６およびＬＥＤカップ４０８を含む）が、他のドーム型光学レンズ４１０によってキャップされている。そのような切頭円錐４０２は、半球形状光学レンズの使用の可能性のある代替であり、ＬＥＤダイ４０６から抽出された光線は、θ_ｃより大きい角度で円錐４０２の側壁４１２ａ、４１２ｂの上で衝突するので、従って、全反射されて、光学レンズ４０２の上面４１４を通って上方に脱出し得る。

遠隔蛍光体構成の前の幾何形状は、光吸収を減少する援助になるが、なおも、光抽出効率を代替パッケージング幾何形状の使用によって改善する必要性がある。

実際、蛍光体２０２、４００がＬＥＤカップ２０８の内部に、あるいはレジンで作られた逆円錐４０２に近接して配置される場合、図２および図５にそれぞれ示されたように、蛍光体２０２、４００は、屈折率約１．４５の材料２０６、４０２、２１０および４１０の内部に埋め込まれ、および／またはそれらに囲まれている。この構成の対称性は、蛍光体層２０２、４００の内部から放射された光を、上方および下方にほぼ等しい量で伝播させる。従って、蛍光体２０２、４００によって放射された光の約５０％は、外部に脱出する可能性を有する前に、ＬＥＤカップ２０８の底部２０８ｂで反射を受けなければならない。この光の一部分は、従って、プロセス中に吸収される。実際に、蛍光体２０２、４００によって下方に放射された光の量は、上方に放射された光の量よりも僅かに大きい。事実、一次光線（つまり、ＬＥＤダイ４０６、２０４によって放射された光線）は、蛍光体層２０２、４００の底部４１６（ＬＥＤダイ２０４、４０６に最も近い蛍光体の一部分）から入射され、従って、蛍光体層２０２，４００の最上部４１８の近くに配置された蛍光体によるよりも多くの光が、蛍光体層２０２，４００の底部４１６に近く配置された蛍光体によって放射される。結果として、上方に伝播する二次光の散乱（つまり、蛍光体２０２，４００によって放射された光）は、下方に伝播する二次光よりも大きい。

他の遠隔蛍光体幾何形状（図３および図４に示されているような）では、状況はほぼ同様であり、加えて、他の複雑性が、蛍光体層と空気を分離している滑らかな上側界面が蛍光体の近くに存在しているという事実から生じる。図６に示すように、滑らかな界面６００のみが、脱出円錐６０８内のθ_ｃ６０６よりも小さい角度で入射する光線６０２（蛍光体粒子のような光源６０４によって放射された）が、外部媒体６１２（通常は空気）の中で抽出されることを可能にする。光線６１４、６１６の残りは、全反射（全反射二次光線６１４）されるか、あるいは、６１８のような透明界面を通って、内部媒体／光学レンズ６２０およびＬＥＤダイ６２２に戻る方向に向かって下方に、無駄な方向に、および光吸収確率が無視できない領域に向かって、伝播する（透過された二次光線６１６）かのうちのいずれかである。図６は、また、ＬＥＤダイ６２２によって放射され、蛍光体層６２６の内部に透過された一次光線６２４に対する可能性のある軌跡を示し、ここで、光線６２４は、蛍光体層６２６内の蛍光体粒子のような光源６０４と相互作用する。

以下の参照文献が本明細書に参照として援用されている。
米国特許第５９６２９７１号明細書 米国特許第６３１９４２５号明細書 米国特許第６３４０８２４号明細書 米国特許第６４７２７６５号明細書 米国特許第６６４２６５２号明細書 米国特許第６９１７０５７号明細書 米国特許第７００５６７９号明細書 米国特許第７０２９９３５号明細書 米国特許第７１５７８３９号明細書 米国特許第７１８０２４０号明細書 米国特許出願公開第２００３／００３００６０号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２２１５１８号明細書

Ｎ．Ｎａｒｅｎｄｒａｎ，Ｙ．Ｇｕ，Ｊ．Ｐ．Ｆｒｅｙｓｓｉｎｉｅｒ−Ｎｏｖａ，ａｎｄ Ｙ．Ｚｈｕ，「Ｅｘｔｒａｎｃｔｉｎｇ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｐｈｏｔｏｎｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」：Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ａ−Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２０２（６），Ｒ６０−Ｒ６２（２００５） Ｈ．Ｌｕｏ，Ｊ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｊ．Ｃｈｏ，Ｃ．Ｓｏｎｅ，ａｎｄ Ｙ．Ｐａｒｋ，「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｐａｃｋａｇｅｓ ｆｏｒ ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｂａｓｅｄ ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８６（２４）（２００５） Ｊ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｈ．Ｌｕｏ，Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｊ．Ｈ．Ｃｈｏ，Ｃ．Ｓ．Ｓｏｎｅ，ａｎｄ Ｙ．Ｊ．Ｐａｒｋ，「Ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｅｎａｈｎｃｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ＧａＩｎＮ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ ｒｅｍｏｔｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｃｕｐ」 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ ２−Ｌｅｔｔｅｒｓ ＆ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ４４（２０−２３），Ｌ６４９−Ｌ６５１（２００５） Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，ａｎｄ Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ ２−Ｌｅｔｔｅｒｓ ＆ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ４５（３３−３６），Ｌ９１０−Ｌ９１２（２００６）

従って、例えば、蛍光体層からの光抽出を増強するための改良されたパッケージング構成に対する本技術分野でのニーズがある。本発明は、このニーズを満たしている。

上記の従来技術の限界を打破するためと、本明細書を解釈し理解することにより明らかになるであろう他の限界を打破するために、本発明は、設計主題およびいくつかの発光種と最適化されたパッケージ構成による高効率白色光発光ダイオード（ＷＬＥＤ）ランプの例を開示する。ＷＬＥＤランプは、ＬＥＤ半導体チップ、チップを支持し電気的注入と熱シンクを可能にするヘッダ、および、異なる波長の光を提供する二次発光種を可能性として含むカプセル化材料を含む。ＬＥＤチップは、通常、基板、基板上に成長したバッファ層（そのような層が必要ならば）、および、一次発光種を含む電気的注入活性領域からなる。他の光学的活性物質は、一次発光種の光によって光学的に励起され、異なる波長の光を再放射する二次発光種を含む。二次発光種は、通常、パッシブな透明マトリックス中に埋め込まれた光ダウンコンバート微粒子蛍光体からなる。本発明は、光学要素と設計の統合に関しており、設計は、１００ｌｍ／Ｗより大きい総発光効率を有する白色ＬＥＤランプの実証を可能にする。

本発明は、白色発光ダイオード（ＷＬＥＤ）をさらに開示し、ＷＬＥＤは、一次光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、該一次光と異なる１つ以上の波長を有する二次光を放射するための光学的に該ＬＥＤに結合された二次発光種と、該二次発光種と該ＬＥＤとの間の少なくとも１つの光学機能界面であって、該光学機能界面は該ＬＥＤから入射する該一次光に対して少なくとも部分的に透明であり、該光学機能界面は該二次発光種から入射する該二次光に対して少なくとも部分的に反射的である、少なくとも１つの光学機能界面とを含む。

ＷＬＥＤは、２つ以上の光学機能界面（例えば、２つ（あるいはより多い）光学機能界面）を含む。前記光学機能界面は、前記ＬＥＤから、該ＬＥＤの横方向長さに少なくとも等しい距離をおいて配置されている。光学機能界面は、第１の材料を含み得る。光学機能界面は、第１の材料の表面を含み得、該材料は、その屈折率が前記二次発光種内の前記二次光の前記光学機能界面における全反射を増加するように配置されている。

二次発光種は、前記一次光によって光学的に励起される場合、二次光を放射する蛍光体層であり得る。第２の材料が前記ＬＥＤを少なくとも部分的に取り囲み得、第２の材料の屈折率が、該一次光の該ＬＥＤと該第２の材料との間の界面における該ＬＥＤ内の全反射を減少する。第１の材料は、該二次発光種と該第２の材料との間に配置され得る。

前記第１の材料の屈折率は、前記蛍光体層の屈折率よりも小さくてもよい。光学機能界面のうちの１つは、第３の材料を含み得、該第３の材料は、前記第２の材料および前記第１の材料のうちの少なくともいくつかの間に配置され得る。

前記ＷＬＥＤは、ヘッダあるいはカップ上のＬＥＤダイを含み得、前記第２の材料はドーム型外面を含み得、該ＬＥＤダイは、該第２の材料および該ヘッダあるいはカップによってカプセル化され、かつ、前記第１の材料は前記外面をキャップし得、前記蛍光体層は該第１の材料をキャップし得る。あるいは、ＷＬＥＤは、ヘッダあるいはカップ上のＬＥＤダイを含み得、ＬＥＤダイは、第２の材料およびヘッダあるいはＬＥＤカップによってカプセル化され得、前記第３の材料は、ドーム型外面を含み得、前記第１の材料は、該第３の材料の該外面をキャップし得、該ＬＥＤの視野角は該第３の材料の該外面の全体を含むように該ＬＥＤは該ＬＥＤカップに配置され得、該ＬＥＤカップは前記一次光を該蛍光体に向けて反射し得る。

前記第１の材料は、前記一次光の波長より大きい厚さを有するエアギャップであり得る。第２の材料は、レジン、エポキシ、シリコンあるいはガラスであり得る。

ＬＥＤヘッダは装着具の上にあり得、前記蛍光体層は、反射材料を介して前記装着具に取り付けられ得る。

蛍光体層からの放射は、黄色光放射であり得、前記ＬＥＤダイは、青色を発光するＩＩＩ族ベースのＬＥＤダイであり得る。

ＷＬＥＤは、１００ｌｍ／Ｗの総発光効率および１００ｌｍ／Ｗより大きいパッケージング効率を有する白色光を放射し得る。ＷＬＥＤは、少なくとも６０のカラーレンダリングインデックスを有する白色光を放射し得る。

本発明は、白色発光ダイオード（ＷＬＥＤ）を製造する方法をさらに開示する。該方法は、該二次発光種と該ＬＥＤとの間に少なくとも１つの光学機能界面を提供し、該光学機能界面は、ＬＥＤから離れた二次発光種によって放射された二次光を反射し、
該１つ以上の光学機能界面は、該ＬＥＤから入射する一次光に対して少なくとも部分的に透明であり、該光学機能界面は、二次発光種から入射する二次光に対して少なくとも部分的に反射的であり、該二次光は該一次光の波長とは異なる波長を含む。

１つ以上の光学機能界面のうちの１つは、前記ＬＥＤから、該ＬＥＤの横方向長さに少なくとも等しい距離をおいて配置され得る。

ＬＥＤはＬＥＤダイであり得、二次発光種は蛍光体層であり得、方法は、ＬＥＤダイを第１の材料およびヘッダあるいはＬＥＤカップでカプセル化することをさらに含み得、第１の材料はドーム型外面を含み、第１の材料は、第１の材料の屈折率が該一次光の該ＬＥＤと該第１の材料との間の界面における該ＬＥＤ内の全反射を減少するように配置され、第１の材料は、外面を第２の材料を含む１つ以上の光学機能界面でキャップし、該第２の材料は、蛍光体層の屈折率よりも小さい屈折率を有し、該１つ以上の光学機能界面は、該材料から離れた二次光を反射する。

図１は、蛍光体オンチップ構成の断面模式図である。 図２は、遠隔蛍光体構成の断面模式図である。 図３は、遠隔蛍光体構成の断面模式図であり、蛍光体はドーム型光抽出光学レンズをコーティングしている。 図４は、遠隔蛍光体構成の断面模式図であり、蛍光体は逆切頭円錐型光学レンズの頂部上に配置されている。 図５は、断面模式図であり、他のドーム型光学レンズによってキャップされているアセンブリを示している。 図６は、インターフェイスのみが、蛍光体によって放射され脱出円錐の内側でθ_ｃより小さい入射角度で入射する光線を、外部媒体（通常は、空気）において抽出することを可能にする方法を例示している。 図７は、ＬＥＤの断面模式図であり、蛍光体は、ＬＥＤダイから十分離れて配置されており、ダイと蛍光体層との間、および蛍光体層と外側媒体との間の多重光学機能性界面を導入している。 図８は、１００ｎｍ厚さの二酸化シリコン層と８０ｎｍ厚さの窒化シリコン層とを、他の終端層と共に５回重ねて得られた二色性ミラーの計算光学特性（反射率Ｒ、透過率Ｔ、および振幅Ａ）を示しており、計算は、光学レンズと内部媒体との間の空気とを有して、図７の界面に配置されているかのように、レジンおよび空気によって囲まれたスタックを説明している。 図９は、平坦（太い黒い線）およびパターン付（細い灰色線）界面を通っての、空気へのＴＥ−分極平面波の透過率の比較を、入射角の関数として示している。 図１０は、高反射率カップ内に配置され、第１の透明材料によってカプセル化された、ＬＥＤダイの断面模式図であり、界面における反射を制限するために、同じような屈折率の半球の透明光学レンズによってそれ自体キャップされている。 図１１は、断面模式図であり、厚さでは均一でないが、頂部では厚くでき、半球状ドームの側面では薄くできる蛍光体層を示している。 図１２は、断面模式図であり、ＬＥＤカップが多かれ少なかれ浅く作られ、広いあるいは狭い視野角を提供し、ちょうどＬＥＤダイの上にあるレジンの量を減少している。 図１３は、他の例を例示する断面模式図であり、ＬＥＤカップが多かれ少なかれ浅く作られ、広いあるいは狭い視野角を提供し、ちょうどＬＥＤダイの上にあるレジンの量を減少している。 図１４は、円錐型透明材料によって囲まれたＬＥＤダイの断面模式図であり、光の一部分を吸収する金属反射体の使用の代わりに、全反射効果を活用している。 図１５は、逆切頭円錐としての光学レンズ状の断面模式図である。 図１６は、高反射フレームにマウントされたマルチパッケージＬＥＤの断面模式図であり、機能性界面を有する蛍光体層は、すべてのＬＥＤを囲むようにマウントされている。 図１７は、最適化された蛍光体層の幾何形状および構成を製造するためのプロセスを例示する模式図である。 図１８は、最適化された蛍光体層の幾何形状および構成を製造するための他のプロセスを例示している。 図１９は、商業的に利用可能な青色ＬＥＤチップを用いるデバイスの断面模式図を示している。

好ましい実施形態の以下の記述において、参照が本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、発明が実現され得る具体的実施形態を例示することによって示される。他の実施形態が利用され得、本発明の範囲から逸脱することなく構造的変更がなされ得ることが理解されるべきである。
（概観）
現在のＷＬＥＤは、無機蛍光体（例えば、青色光は黄色発光蛍光体を励起して白色光を生成する）のように、二次発光物質を光学的に励起するエレクトロルミネッセンス半導体チップを組み合わせている。本発明は、優れたパッケージング構成を提供し、両方の発光物質が十分に高い内部量子効率を所有しているとして、ＷＬＥＤの全体のルミナス効率が１００ルーメン／ワット（ｌｍ／Ｗ）より大きいことを可能にする。
（技術的記述）
本発明は、一次および二次の光吸収の確率を減少することによって、ＷＬＥＤの全体の発光効率を増加することを目的としている。ＬＥＤルミナス効率を改善することを狙った主な光学設計が、図７に例示されている。これらのスキームの共通点は、光吸収の確率を最小に減少することである。従って、蛍光体光源７００（あるいは、蛍光体層７０２）がＬＥＤダイ７０４から（ＬＥＤダイ７０４の横方向長さ７０８に少なくとも等しい距離で）十分に遠くに配置されている。この点に関して、本発明は、ダイ７０４と蛍光体層７０２との間および蛍光体層７０２と外側（つまり外部）媒体７１８との間に、多重光学機能（あるいは、修正）界面（７１０、７１２、７１４、７１６）を導入する。

蛍光体層７０２と、ＬＥＤダイ７０４あるいは内部媒体７２０との間に配置されたインターフェイスのうちの少なくとも１つ（例えば、７１０）は、蛍光体７００によって下方に（反射二次光線７２２を反射するために）放射された二次光に対して高反射率、およびＬＥＤダイ７０４によって（透過一次光７２４を透過するために）放射された一次光７２４に対して高透過率を提供する。これらのインターフェイスのうちの少なくとも１つ（例えば、７１０）は、部分的反射体、あるいは、二色性ミラーであり、近紫外〜青領域からなる波長の光に対する非常に高い透過率、および、可視光スペクトルの（蛍光体７００によって放射された）緑、黄、あるいは赤部分からなる波長の光に対する高反射率を提供する。インターフェイス７１０は、二色性ミラーのような光学レンズ７２６と内部媒体７２０との間に存在し得る。

そのような光学要素７２６は、分散型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）を形成するために一般になされるように、多層誘電体を使用することによって形成され得る。図８は、１００ｎｍ厚さの二酸化シリコン層と８０ｎｍ厚さの窒化シリコン層を他の終端層と共に、５回積層して得られたそのような二色性ミラーの１つの、計算光学特性を示している。この計算において、積層は、光学レンズ７２６と内部媒体７２０との間の空気と共に、図７の界面７１０に配置されているかのように、レジンおよび空気によって囲まれている。このプロットには、いくつかの曲線が示されている。実線の曲線は、５つの異なる入射角（図８の右から左への５つの実線の曲線が、凡例に示されたように、入射角０°、１０°、２０°、３０°、および４０°に対する反射率Ｒをそれぞれ表す）に対する積層の反射率ｖｓ波長特性である。一点鎖線の曲線は、５つの異なる入射角（図８の右から左への５つの一点鎖線の曲線が、入射角０°、１０°、２０°、３０°、および４０°に対する透過率Ｔをそれぞれ表す）に対する積層の透過率（Ｔ）ｖｓ波長特性である。線８００は、動作中の青色および黄色の光を組み合せているＷＬＥＤの測定スペクトルである。計算は、所望の光学要素７２６を形成するのは比較的単純であり、ＬＥＤダイ７０４から抽出された入射光線が、それらが二色性ミラー７２６上で４０°より大きい入射角を有さないように向けられるという必要条件のみによることを示す。これに対する代替は、同様な屈折率（ｎ〜１．４５−１．５）であるが、僅かに修正された多層構造を有する材料中に二色性ミラー７２６を囲むことであり得る。現在の電子ビームあるいはプラズマ堆積技術は、そのような多層の大規模な製造を可能にしている。

他のタイプの部分反射体は、図７の７２８によって表されるように、１つ以上の低屈折率の中間層を導入することによって使用され得る。そのような低屈折率層７２８（例えば光の波長よりもずっと大きい厚さのエアギャップ）は、蛍光体７０２によって放射された光に対する有用な全反射を導入し得るが、同時に、ＬＥＤダイ７０４によって放射された光に対する非常に高い透過率を維持する。実際、蛍光体７００、７０２によってθ_ｃ（空気／レジンあるいはガラス界面に対して〜４３°）より大きい角度で放射された光は、全反射され７３０（反射二次光線）、等方性光源７００を仮定すると、そのような界面７１４の７５％の立体角平均の反射率を与える。つまり、蛍光体層が内部媒体７２０から光学的に切断されていない場合の０％の代わりに、下方に放射された光の７５％が、単にエアギャップ７２８を使用して後方に反射される。以前は、下方伝播光線は後方に、損失が起きるＬＥＤダイ７０４および高反射ＬＥＤカップ７３２によって反射されるのみであり得た。加えて、この層７２８が、ＬＥＤダイ７０４から十分に遠くに（ＬＥＤダイの横方向長さ７０８に少なくとも等しい距離７０６ｂで）配置された場合、かつ、層７２８が半球層として形作られた場合、ＬＥＤダイ７０４から放射されたすべての光線（例えば７２４）は、直角に近い入射角でこの層７２８を横切り、従って最小の反射率となる。

蛍光体粒子７００は、これらの大きさが通常、光の波長よりもかなり大きいという理由で、かつ、蛍光体７００とそれらが埋め込まれているマトリックス（蛍光体層７０２は、マトリックスおよび蛍光体７００をふくむ）との間の屈折率のミスマッチΔｎが通常はそれほど大きくはなく（Δｎ〜０．３）、直角入射における反射率がΔｎ^２に比例するという理由で、光を効率的には後方散乱しない。

蛍光体７００によって放射された光が層７０２の内側に（それによって、放射二次光線７３４を形成する）導かれないようにするために、上側界面７１６は、光学的に機能付与されて、角度ドメインおよびスペクトルドメインの両方で、可能な限り透明にならなければならない。１つの可能性のある解は、蛍光体層７０２の滑らかな上面７３６を反射防止コートでコーティングすることである。他の解は、上面７３６を、周期的、準周期的、あるいは準ランダムパターンで加工することである。そのようなパターンは、面７３６が滑らかなままであるならば、その界面７１６で起きる全反射を無効にするあるいは部分的に打ち消すために実際使用され得る。

この効果を例示するために、図９は、平坦（太い黒色線９００）およびパターン付（細い灰色線９０２）界面（例えば、７１６）を通る空気への横電界（ＴＥ）偏向平面波透過率の比較を、入射角の関数として示している。パターンは、空気（例えば外部媒体７１８）と、ｎ＝１．４５（例えば７０２）の透明材料（平面波は、これから入射する）との間の矩形表面変調からなっており、周期４μｍ、深さ２μｍ、充填率４０％である。透過率が平面内で等方性とすると、パターニングは、平坦界面の場合に比べて５２％の光抽出の増加を生成する（この数字は、角度透過率曲線を立体角に対して積分することによって得られる）。パターン付界面９０２の透過率は、低入射角で平坦界面９００の透過率よりも僅かに低いが、パターン付界面９０２の透過率は、全反射に対する角度（θ_ｃ〜４３°）よりも大きい角度において、平坦界面９００の透過率よりもかなり大きくなり、これらの角度は立体角のずっとおおきな部分に関連している。

そのようなパターニングは、様々な方法で得られ得る。１つの方法は、蛍光体層７０２をテクスチャモールドから形成することである。他の方法は、蛍光体粒子７００を単に注意深く包み、それらを透明マトリックスにモールドによって埋め込み、モールド除去に続いて選択エッチを実行することによって、透明マトリックスの最初の数十μｍを取り除くことである。

中間層７２８と光学レンズ７２６との間の界面７１２は、他の部分的反射体あるいは二色性ミラーにより、あるいは上記のように、反射防止コートにより、コーティングされ得る。単純な反射防止コートは、フッ化マグネシウム（ｎ〜１．３８）のような屈折率が空気とレジンとの中間の、１／４波長厚さの透明材料からなり得る。

最後に、ＬＥＤカップ表面７３８は、可能な限り反射的であるべきであり、鏡面的に反射する、あるいは散乱的に反射するコーティング（銀あるいはアルミニウムのような金属的、あるいは、テフロン（登録商標）あるいは硫化バリウム等のような非金属的な）からなり、すべての場合に、ＬＥＤダイ７０４は良熱シンク材料上に固定されている。図７は、また、蛍光体層７０２を通って外部媒体７１８中に透過されている透過一次光線７４０を示している。界面７１４は、また、ＬＥＤ７０４によって放射され、ＬＥＤ７０４に向けて後方散乱された一次光線７３０を反射する。

図１０は、本発明の実施形態を示している。ＬＥＤダイ１０００は、高反射ＬＥＤカップ１００２の中に配置され、第１の透明材料１００４（例えばレジン）によってカプセル化されている。第１の透明材料１００４は、それ自体半球状透明光学レンズ１００６によってキャップされており、光学レンズ１００６は、表面１００６ａ、１００６ｂを含む最適化された界面と、表面１００６ａを含む界面での反射を制限する第１の透明材料１００４と同様な屈折率とを有している。この界面は、二色性ミラーあるいは、表面１００６ａ上の二色性反射体コーティング１００８ａからなり、すべての一次光線を透過し、蛍光体１０１０によって放射された二次光線を反射する。蛍光体層１０１０は、光学レンズ１００６の表面１００６ｂを囲み、１つ以上の低屈折率材料の中間層１０１２が、２つの媒体１００６および１０１０の間にある（層１０１２は、媒体１００６および１０１０よりも低い屈折率を有し得る）。蛍光体１０１０に面している光学レンズ１００６の表面１００６ｂは、反射防止コーティング１００８ｂでコートされ得、一次光が界面（つまり、表面１００６ｂを横切って）を反射されないで通過する。蛍光体層１０１０の上面１０１４は、織地状の表面にされ、粗され、あるいはパターン形成され得、全反射を制限することによって、光抽出を増加する。ＬＥＤカップ１００２は、高反射面１０１６を有し得る。

図１１に示された（例えばＷＬＥＤ１１００）、他の実施形態では、蛍光体層１１０２は、厚さ１１０４ａ、１１０４ｂでは均一でないが、最上部１１０６ａ上では、より厚い厚さ１１０４ａ、および、光学レンズ１１０８の側面１１０６ｂではより薄い厚さ１１０４ｂで作られ得、光学レンズ１１０８の外面１１１０は、半球状のドームとして形作られる。この厚さ修正は、一次光と二次光とを混合することによって得られる、明らかな白色光の角応答を細かく合わせるために使用され得る。図１１のＷＬＥＤ１１００は、蛍光体層１１０２と光学レンズ１１０８との間に１つ以上の中間層１１１２をさらに含み、光学レンズ１１０８（光学レンズ１１０８は、最適化された界面を含む）の外面１１１０、ＬＥＤカップ１１１６中のＬＥＤダイ１１１４、およびＬＥＤダイ１１１４をカプセル化しているレジン１１１８をコーティングする。

図１２および図１３に示された他の実施形態１２００、１３００では、ＬＥＤカップ１２０２、１３０２は、より浅く（つまり、より小さい深さ１２０４）あるいは、より深く（つまり、大きな深さ１３０４）に作られ、幅広い（図１２）あるいは狭い（図１３）視角を提供し、ＬＥＤダイ１２０８、１３０８のちょうど上にあるレジン１２０６、１３０６の量を減少する。レジン１２０６、１３０６の黄化がデバイス１２００、１３００の寿命の間に起こり得るので、ＬＥＤダイ１２０８、１３０８と光学レンズ１２１２、１３１２との間のレジン１２０６、１３０６の厚さ１２１０、１３１０を、最小に減少するのは利点であり得る。図１２は、また、レジン１２０６の総量が、浅いＬＥＤカップ１２０２（図１３のＬＥＤカップ１３０２に比べて）によって、どのようにして減少されるか（図１３のレジン１３０６の量と比べて）を例示している。また、図１２および図１３には、中間層１２１４、１３１４および蛍光体層１２１６、１３１６が最適化された界面と共に示されている。

図１４に示されている他の実施形態１４００では、ＬＥＤダイ１４０２は、光の一部を吸収する金属反射体の使用に代わって、円錐状の透明材料１４０４（例えば、レジンを含む）によって囲まれており、全反射効果の利点を利用している。レジン１４０４は、ＬＥＤカップ１４０６内に配置され得、最適化された界面を有する光学レンズ１４０８によってキャップされ得る。光学レンズ１４０８は、１つ以上の中間層１４１０および最適化された界面を有する蛍光体１４１２によってキャップされ得、中間層１４１０は、蛍光体１４１２と光学レンズ１４０８との間にある。

図１５に示された他の実施形態１５００において、レジン／光学レンズ１５０２は、逆切頭円錐形状をしている。ＬＥＤダイ１５０４は、ＬＥＤカップ１５０６内に配置され、光学レンズ１５０２によって覆われている。光学レンズの最上面１５０８は、１つ以上の中間層１５１０および蛍光体１５１２によってキャップされており、中間層１５１０は、最上面１５０８と蛍光体１５１２との間にある。

図１６に示された他の実施形態１６００では、マルチパッケージＬＥＤ１６０２が高反射フレーム１６０４にマウントされており、機能性界面を有する蛍光体層１６０６が、すべてのＬＥＤ１６０２（あるいは、ＬＥＤ１６０２によって放射された実質的にすべての光線を横切る、あるいはすべての光線と相互作用する）を囲んでいる。

ＬＥＤダイは、光学要素（光学的閉じ込め層、および／または、高反射層と共に、フォトニック結晶、粗い表面、パターン付界面および層のような）を含み得、増加した光抽出を提供する。ＬＥＤチップは、また、ピラミッドあるいはダイアモンド様の形状のような、立方体あるいは平行六面体形状とは異なる形状に形成され得る。ＬＥＤチップは、また、例えばＺｎＯで作られる光抽出「巨大円錐」でキャップされ得る。ＬＥＤチップは、また、架台をキャップし得、架台は、光抽出を最適化するような形状に作られており、架台は、ほぼ屈折率がマッチングする材料から作られている。
（製造プロセス）
少なくとも２つの可能性のある製造プロセスが最適化された蛍光体層幾何形状および構成のために可能である。１つの可能性のあるプロセスが図１７に示されている。このプロセスでは、ＬＥＤダイ（フリップチップ（ＦＣ）ＬＥＤチップ１７００のような）が、ＬＥＤダイ１７００およびヘッダ１７０４の周りに直接モールドによって形作られた光学レンズ１７０２によって囲まれている。ＬＥＤダイ＋ヘッダ１７０４＋光学レンズアセンブリ１７０２は、その後、装着具１７０６上に取り付けられる。機能性界面を有する蛍光体層１７０８は、その後、同じ装着具１７０６上に蛍光体支持１７１０を介して、続いて取り付けられる。高反射材料１７１２が、蛍光体支持１７１０と蛍光体層１７０８の端１７１４」との間に配置され得、蛍光体層１７０８の内部で全反射される光が蛍光体１７０８と最大限に相互作用することなしに、脱出することを防ぐ。高反射材料１７１６は、ヘッダ１７０４と光学レンズ１７０２との間に配置され得、光（光学レンズ１７０２の内部で全反射する）を蛍光体１７０８に向けて反射する。１つ以上の中間層１７１８が、光学レンズ１７０２（最適化された界面を有する透明ドームであり得る）と蛍光体１７０８との間に配置され得る。

図１８に示された他の製造プロセスは、ＬＥＤカップ１８００を、例えば、エポキシあるいはレジンをキュアすることによって光学レンズ１８０２に取り付ける。機能化された界面を有する蛍光体層１８０４は、その後、縁１８０６あるいは光学レンズ１８０２のフランジ上に続けて取り付けられる。
（例）
（１）商業的に利用可能な青色ＬＥＤチップの使用
図１９は、デバイス１９００の模式図を示している。青色ＬＥＤランプは、商業的に利用可能なＣＲＥＥ ＥＺＲ４５０ ＬＥＤダイ、つまりチップ１９０２を、銀エポキシを使用して銀のヘッダ１９０４上に取り付けることによって形成された。銀エポキシは、縦方向の電気伝導をＬＥＤダイ１９０２の至る所において可能にする。より具体的には、シリコンサブマウントからｐ−ドープＧａＮ層および、ＩｎＧａＮ量子井戸を含む活性層へ移動するホールの注入を可能にする。このダイ１９０２の最上部のコンタクト（ｎ−コンタクト）は、金線１９０６によって銀ヘッダ１９０４の第１（ヘッダ）ポスト１９０８にワイヤボンドを介して接続された。銀ヘッダ１９０４の他方の（第２）ポスト１９１０は、他の金線１９１２によってヘッダ１９０４自体にワイヤボンドを介して接続された。この段階で、銀ヘッダ１９０４上のベアＬＥＤダイ１９０２の総放射フラックスΦ_Ｂが、較正された積分球によって測定され、２０ｍＡおよび３．２０Ｖ（ＤＣ測定）において２１．０ｍＷであった。放射ピークの光の波長は、４４７ｎｍであった。

透明レジン（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＧＥ）から商業的に利用可能）が、銀ヘッダ１９０４上のＬＥＤダイ１９０２を、モールド技術によってカプセル化する半球状ドーム１９１４を形成するために使用された。ＬＥＤダイ１９０２は、ドーム１９１４の中心１９１８の僅か下（約２ｍｍの距離１９１６）に配置された。ドーム１９１４の直径１９２０は、７．５ｍｍであった。銀ヘッダ１９０４上のカプセル化された青色ＬＥＤダイ１９０２の総放射フラックスΦ_Ｂが、その後、較正された積分球を使用して測定され、２０ｍＡおよび３．２０Ｖ（ＤＣ測定）において２６．６ｍＷであった。これは、透明シリコーンドーム１９１４が、総放射フラックスで２５％上昇を可能にしたことを示している。

黄色放射蛍光体は三菱化学株式会社（ＭＣＣ）によって提供され、その後透明レジンと混合され、６重量％、５重量％、あるいは３重量％の蛍光体濃度のペーストを形成した。ペーストは、その後、モールドされ、約２ｍｍ厚さの中空半球形状のキャップ１９２２を形成した。

６％、５％、あるいは３％の蛍光体濃度からなるキャップ１９２２（あるいは蛍光体層）は、その後、代わって、カプセル化された青色ＬＥＤ（透明シリコーンドーム１９１４およびＬＥＤ１９０２を上記のように含む）上にそれぞれマウントされ、約１ｍｍ厚さ１９２６のエアギャップ１９２４が、青色ＬＥＤダイ１９０２をカプセル化している透明ドーム１９１４の上面１９２８と、蛍光体キャップ１９２２の内面１９３０との間に存在することを可能にした。キャップ１９２２の光出力特性が、較正された積分球によって測定（ＤＣ測定）された。

表１は、ＷＬＥＤ１９００のスペクトル特性をまとめたものである。記号は、ＩがＬＥＤダイ１９０２を通って流れるＤＣ電流、Ｖが加えられた電圧、ｘおよびｙはＷＬＥＤのスペクトル色座標、ＣＣＴは相関色温度、ＣＲＩは、測定されたＷＬＥＤスペクトルに関連するカラーレンダリングインデックスである。蛍光体濃度とＣＣＴとの間の疑似線型関係に注意すること。

表２は、ＷＬＥＤ１９００の主な出力特性をまとめたものである。記号は、それぞれ、ＩがＬＥＤダイを通って流れるＤＣ電流、Ｖが加えられた電圧、Φ_ＢはＬＥＤ総青色放射束、Ｆ_ＷはＷＬＥＤ１９００総放射束および光束であり、積分球によって測定された。

ＷＬＥＤの主な性能指数は、総発光効率η_ｌｕｍである。η_ｌｕｍは、ＷＬＥＤ総光束Ｆ_Ｗのデバイスに加えられた総（電気的な）電力Ｐ＝ＩＶに対する比で定義される。この量は、ｌｍ／Ｗ単位で表される。所与のパッケージ構成（蛍光体を含む）の、一次光を変換し白色光を抽出する性能の効率を定量化する主な性能指数は、パッケージ効率η_ｐａｃｋである。ここで、η_ｐａｃｋは、ＷＬＥＤの白色光束Ｆ_ＷのＷＬＥＤの青色放射束Φ_Ｂに対する比として定義される。η_ｐａｃｋは、ｌｍ／Ｗ単位で表示され、電気的注入効率に関連する問題、またはそれがない場合の問題がη_ｐａｃｋに影響しないので、パッケージング効率単独の測定にも有用である。

高い総η_ｌｕｍは、これらのＷＬＥＤ１９００で得られ、４０００Ｋ＜ＣＣＴ＜４９００Ｋ（温白色照明応用に適切なＣＣＴ範囲）に対して、
５ｍＡにおいて、１２８．１ｌｍ／Ｗ＜η_ｌｕｍ＜１３４．９ｌｍ／Ｗ、かつ、
２０ｍＡにおいて、１０６．５ｌｍ／Ｗ＜η_ｌｕｍ＜１１３．１ｌｍ／Ｗであった。高いη_ｐａｃｋが、また、これらのＷＬＥＤで得られ、４０００Ｋ＜ＣＣＴ＜４９００Ｋに対して、２５６．４ｌｍ／Ｗ＜η_ｐａｃｋ＜２７３．１ｌｍ／Ｗであった。
（２）ＵＣＳＢ青色ＬＥＤチップの使用
ＬＥＤダイ１９０２は、例えば、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（ＵＣＳＢ）製の青色ＬＥＤチップのような、任意の青色ＬＥＤであり得る。異なる青色ＬＥＤランプが、ＵＣＳＢにおいてＭＯＣＶＤで成長され処理されたＬＥＤダイ１９０２を、銀ヘッダ１９０４上に非伝導レジン（ＧＥから商業的に利用可能）を用いて取り付けることによって形成された。ＬＥＤダイ１９０２は、頂部放射であり、従って、ＬＥＤ１９０２のｎおよびｐコンタクトが金線１９０６、１９１２によって、銀ヘッダ１９０４のポスト１９０８、１９１０にワイヤボンディングによって接続された。この段階で、銀ヘッダ１９０４上のベアＬＥＤダイ１９０２の総放射束Φ_Ｂが較正された積分球を用いて測定され、２０ｍＡおよび４．０８Ｖ（ＤＣ測定）において２５．３ｍＷであった。放射ピークの光の波長は、４４４ｎｍであった。

ＧＥからの透明シリコーンが、ＬＥＤダイ１９０２を銀ヘッダ１９０４上に、モールド技術によってカプセル化する半球状ドーム１９１４を形成するために使用された。ＬＥＤダイ１９０２は、ドーム１９１４の中心１９１８の僅か下（約２ｍｍの距離１９１６）に配置された。ドームの直径１９２０は、７．５ｍｍであった。銀ヘッダ１９０４上のカプセル化された青色ＬＥＤダイ１９０２の総放射フラックスΦ_Ｂが、その後、較正された積分球によって測定され、２０ｍＡおよび４．０８Ｖ（ＤＣ測定）において３０．０ｍＷであった。これは、透明シリコーンドーム１９１４が、総放射フラックスでドーム１９１４のない場合に比べて２０％上昇を可能にしたことを示している。カプセル化されたＵＣＳＢ青色ＬＥＤチップで得られたΦ_Ｂと、上の（１）で議論した商業的に利用可能な青色ＬＥＤチップを使用して得られたΦ_Ｂとの間の差は、２５％であり、主にＬＥＤダイ１９０２の構造の差によって起こされている。

前の節（１）で議論したのと同じ蛍光体キャップ１９２２が、ＵＣＳＢ成長の青色ＬＥＤダイ１９０２を含む青色ＬＥＤランプを使用してＷＬＥＤ１９００を形成するのに使用された。これらのＷＬＥＤ１９００の主なスペクトルおよび出力特性は、表３および表４に与えられている。

再び、高い総η_ｌｕｍがこれらのＷＬＥＤ１９００で得られ、４０００Ｋ＜ＣＣＴ＜５０００Ｋ（温白色照明用途に適切なＣＣＴ範囲）に対して、５ｍＡにおいて１０５．５ｌｍ／Ｗ＜η_ｌｕｍ＜１１３．３ｌｍ／Ｗ、２０ｍＡにおいて９０．９ｌｍ／Ｗ＜η_ｌｕｍ＜９７．７ｌｍ／Ｗであった。高いη_ｐａｃｋが、また、これらのＷＬＥＤ１９００で得られ、４０００Ｋ＜ＣＣＴ＜５０００Ｋに対して、２４５．６ｌｍ／Ｗ＜η_ｐａｃｋ＜２６５．８ｌｍ／Ｗであった。

これらの高いη_ｐａｃｋは、蛍光体１９２２が、蛍光体キャップ１９２２と、ヘッダ１９０４上のＬＥＤチップ１９０２をカプセル化している透明ドーム１９１４との間のエアギャップ１９２４を有する遠隔幾何構成であるという事実によって主に起こされている。このエアギャップ１９２４は、蛍光体１９２２によって放射された光のために蛍光体キャップ１９２２内部の全反射を誘起するのに使用される。結果は、より滑らかな内側キャップ表面１９３０および粗くされた外側キャップ表面１９３２を使用して、さらに改良され得る。反射防止あるいは二色性コーティングのような異なる光学コーティングは、また、これらのＷＬＥＤとは一体化されていない。さらに、高反射ヘッダ１９０４（必ずしも金属的ではない）を銀ヘッダ１９０４（徐々に酸化する傾向にある）の代わりに用いることもまた有益であり得る。

これらのＷＬＥＤ１９００の性能が、図１の蛍光体オンチップ構成１００とパッケージされたＷＬＥＤの性能と比較された。図１の構成では、ＣＲＥＥ ＥＺＲ４６０チップ１０４を使用して、得られたη_ｐａｃｋは、４６００Ｋおよび４９８０ＫのＣＣＴに対して、それぞれ１８３．０ｌｍ／Ｗおよび２０６．８ｌｍ／Ｗであった。この構成１００では、遠隔蛍光体キャップ構成１９００とは違って、蛍光体濃度が上昇するとき、η_ｐａｃｋは減少する。蛍光体オンチップ構成１００に対するこれらの値は、遠隔蛍光体キャップ１９２２でパッケージされたＷＬＥＤ１９００に比べて、上に提示されたＣＣＴに匹敵するＣＣＴに対して約２５％低い。

η_ｐａｃｋに於ける差は、使用されたＬＥＤダイ１９０２、１０４のタイプでは起きていなかった。ＣＲＥＥ ＥＺＲ４６０チップが、チップ１９０２として使用され、遠隔蛍光体キャップ構成１９００で（上記のＷＬＥＤ１９００に使用された同じ６％の蛍光体濃度によって）パッケージされた。結果は、ＣＲＥＥ ＥＺＲ４６０チップを使用するデバイス１９００に対して、４１００ＫのＣＣＴに対してη_ｐａｃｋ＝２７５．７ｌｍ／Ｗであり、このη_ｐａｃｋの値は、ＣＲＥＥ ＥＺＲ４５０チップで得られ、上で報告されたη_ｐａｃｋの値に非常に似ている。
（可能性のある修正と変形）
上に注解したように、図７は、一次光を放射するＬＥＤ７０４と、ＬＥＤ７０４に光学的に結合された、二次光７２２、７３０、７３４（一次光７２４とは異なる１つ以上の波長を含む）を放射する二次発光種７００、７０２と、二次発光種７００およびＬＥＤ７０４の間に配置された少なくとも１つの光学機能界面７１０、７１２、７１４とを含むＷＬＥＤを例示しており、光学機能界面（例えば、７１０、７１４）は、ＬＥＤ７０４から入射する一次光７２４に対して少なくとも部分的に透明であり、二次光発光種７００、７０２から入射する二次光７２２、７３０に対して少なくとも部分的に反射的である。光学機能界面７１０、７１２、７１４は、一次光７２４に対して完全に透明であり、二次光７２２、７３０に対して完全に反射的であってよい。ＷＬＥＤは、２つ以上の光学機能界面を含み得る。光学機能界面（例えば、７１４）は、ＬＥＤ７０４から距離７０６ｂに、ＬＥＤ７０４の横方向長さ７０８に少なくとも等しい距離をおいて配置され得る。

二次発光種７００、７０２は、一次光７２４によって光学的に励起される場合、二次光７３４、７３０、７２２を放射する蛍光体層であり得る。蛍光体は、任意の色を放射する蛍光体（例えば、黄色放射蛍光体）であり得、ＬＥＤは任意の色を放射するＬＥＤ（例えば、青色光放射ＬＥＤ）であり得る。ＬＥＤは、例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースであり得る。

光学的機能界面７１０、７１２、７１４は、多くの形状を取り得、多くの厚さあるいは材料を含み得る（例えば、光学コーティング）。例えば、光学機能界面は、第１の材料７２８、あるいは第１の材料７２８の表面７１４を含み得、第１の材料７２８は、第１の材料７２８の屈折率が、光学機能界面７１４における二次光発光種７０２内の二次光７３０の全反射が増加するように配置され得る。ＷＬＥＤは、第２の材料７２０の屈折率が、ＬＥＤ７０４と第２の材料７２０との間の界面７４２において、ＬＥＤ７０４内の一次光の全反射を減少するように配置された、ＬＥＤ７０４を少なくとも部分的に囲んでいる第２の材料７２０、および二次発光種と第２の材料との間に配置された第１の材料をさらに含み得る。第１の材料７２８は、一次光７２４（例えば、ＬＥＤ７０４の直接放射）に対して透明であり得、かつ、二次光７３０（二次発光種の放射）に対して反射的であり得る。

第１の材料７２８の屈折率は、蛍光体層７０２の屈折率および第２の材料７２０の屈折率よりも小さくてもよい。第１の材料７２８は、蛍光体層７０２の屈折率より異なる屈折率を有し得る。

図１９は、第２の材料１９１４が固体（空洞ではなく）であるが、ドーム形状の外面１９２８を含んでおり、ＬＥＤ（ＬＥＤダイ１９０２の形の）が第２の材料１９１４およびヘッダ１９０４つまりＬＥＤキャップによってカプセル化され、第１の材料１９２４は、外面１９２８を、第１の材料１９２４をキャップしている蛍光体層１９２２でキャップし得る。明細書全体で、ドーム形状材料は、材料の表面のドーム形状を意味し、従って、材料は空洞あるいは固体であり得る。

第３の材料７２６が、第２の材料７２０および第１の材料７２８のうちの少なくともいくつかの間にあり得、第３材料７２６は、一次光７２４（つまり、ＬＥＤ７０４からの直接放射）に対して透明であり得、かつ、蛍光体７０２によって放射される二次光７２２に対して反射的であり得る。光学機能界面７１０は、第３の材料７２６あるいは第３の材料７２６の表面を含み得る。例えば、第３の材料７２６は、第２の材料７２０と第１の材料７２８との間の層、あるいは、第２の材料７２０内の層あるいは界面であり得る。例えば、第３の材料７２６は、光学レンズであり得、第１の材料７２８は、蛍光体７０２と光学レンズとの間の反射媒体であり得、第２の材料７２０によってＬＥＤダイ７０４から抽出された光は、光学レンズによって蛍光体７０２に向けて透過され得、ＬＥＤダイ７０４から抽出された、蛍光体７０２から離れる方向に反射された光は、光学レンズによって蛍光体７０２に向かって反射し返される。光学レンズは、二色性ミラーであり得、二色性ミラーは、近紫外から青色の範囲からなる波長の光に対して非常に高い透過率、および、可視光の緑色、黄色、あるいは赤色部分からなる波長の光に対して高い反射率を提供する。

図１０は、第３の材料が、例えば、第２の材料１００４をキャップしているドーム型光学レンズ１００６を含み得ることを示しており、光学レンズ１００６の外面１００６ｂがドーム形状あるいは球形であり、曲がった界面を提供し、光学レンズ１００６が実質的に第２の材料１００４の屈折率と同じ屈折率を含み、第１の材料１０１２は外面１００６ｂをキャップし、蛍光体１０１０は第１の材料１０１２をキャップする。

図１０は、ＬＥＤ１０００がＬＥＤカップ１００２内に、ＬＥＤの視野角がドーム型外面１００６ｂの全体を含むように配置され得る方法を示している。図１７は、ＬＥＤヘッダ１７０４が装着具１７０６上にあり得る方法を示しており、蛍光体層１７０８が装着具１７０６上に、二次光を反射できる反射材料１７１２を介してマウントされ得る方法を示している。

本発明は、二次発光種とパッケージされ／組み合わせられた発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む光源をさらに開示し、光源の総発光効率は、１００ｌｍ／Ｗ以上であり、および／または、光源のパッケージング効率は、１００ｌｍ／Ｗ以上である。これらの性能指数は、特定の種類の二次発光種または使用されるＬＥＤに限定されない。光源のカラーレンダリングインデックスは、また、例えば６０以上であり得る。

このようにして、図７は、本発明がＷＬＥＤの製造方法を開示していることを示しており、ＷＬＥＤは、二次発光種７００、７０２とＬＥＤ７０４との間に１つ以上の光学機能界面７１０、７１２、７１４を提供することを含み、ＬＥＤ７０４から離れた二次発光種７００によって放射された二次光７２２、７３０、７３４を反射し、光学機能界面（例えば、７１０、７１４）は、ＬＥＤ７０４から入射する一次光７２４に対して少なくとも部分的に透明であり、かつ、二次発光種７００から入射する二次光に対して少なくとも部分的に反射的であり、二次光７２２、７３０、７３４は、一次光７２４の波長とは異なる１つ以上の波長を含む。

本発明は、ＷＬＥＤに限定されるのもではなく、例えば、本発明は、二次発光種と組み合わせられたＬＥＤを含む任意の光源に使用され得、ＬＥＤ（例えば、ＬＥＤダイ）は１つ以上の一次波長を放射し、二次発光種は１つ以上の二次波長を放射し、従って、デバイスは１つ以上の異なる波長を放射する。
（参考文献）
以下の参照文献が本明細書に参照として援用されている。

１． 米国特許第５９６２９７１号明細書、発行１９９９年１０月、Ｓａｎｏ他
２． 米国特許第６３１９４２５号明細書、発行２００１年１１月、Ｔａｓａｋｉ他
３． 米国特許第６３４０８２４号明細書、発行２００２年１月、Ｋｏｍｏｔｏ他
４． 米国特許第６４７２７６５号明細書、発行２００２年１０月、Ｃｈｅｎ他
５． 米国特許第６６４２６５２号明細書、発行２００３年１１月、Ｃｏｌｌｉｎｓ他
６． 米国特許第６９１７０５７号明細書、発行２００５年７月、Ｓｔｏｋｅｓ他
７． 米国特許第７００５６７９号明細書、発行２００６年２月、Ｔａｒｓａ他
８． 米国特許第７０２９９３５号明細書、発行２００６年４月、Ｎｅｇｌｅｙ他
９． 米国特許第７１５７８３９号明細書、発行２００７年１月、Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋ他
１０． 米国特許第７１８０２４０号明細書、発行２００７年２月、Ｎｏｇｕｃｈｉ他
１１． 米国特許出願公開第２００３／００３００６０号明細書、公開２００３年２月、Ｏｋａｚａｋｉ他
１２． 米国特許出願公開第２００５／０２２１５１８号明細書、公開２００５年１０月、Ａｎｄｒｅｗｓ他
１３． Ｎ．Ｎａｒｅｎｄｒａｎ，Ｙ．Ｇｕ，Ｊ．Ｐ．Ｆｒｅｙｓｓｉｎｉｅｒ−Ｎｏｖａ，ａｎｄ Ｙ．Ｚｈｕ，「Ｅｘｔｒａｎｃｔｉｎｇ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｐｈｏｔｏｎｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」：Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ａ−Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２０２（６），Ｒ６０−Ｒ６２（２００５）
１４． Ｈ．Ｌｕｏ，Ｊ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｊ．Ｃｈｏ，Ｃ．Ｓｏｎｅ，ａｎｄ Ｙ．Ｐａｒｋ，「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ｐａｃｋａｇｅｓ ｆｏｒ ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｂａｓｅｄ ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８６（２４）（２００５）
１５． Ｊ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｈ．Ｌｕｏ，Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｊ．Ｈ．Ｃｈｏ，Ｃ．Ｓ．Ｓｏｎｅ，ａｎｄ Ｙ．Ｊ．Ｐａｒｋ，「Ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｅｎａｈｎｃｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ＧａＩｎＮ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ ｒｅｍｏｔｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｃｕｐ」 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ ２−Ｌｅｔｔｅｒｓ ＆ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ４４（２０−２３），Ｌ６４９−Ｌ６５１（２００５）
１６． Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，ａｎｄ Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ ２−Ｌｅｔｔｅｒｓ ＆ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ４５（３３−３６），Ｌ９１０−Ｌ９１２（２００６）
（結論）
この結論は、本発明の好ましい実施形態の記述を締めくくる。本発明の１つ以上の実施形態について前述の記載が、図面と記述の目的として提示されてきた。このことは、本発明を、論じ尽くされた、あるいは、開示された詳細な形に限定する意図ではない。上記の教示に照らして、多くの修正および変形が可能である。本発明の範囲はこの詳細な記述によって限定されるべきではなく、本明細書に添付の特許請求の範囲によって限定されるべきである。

Claims (19)

1. 白色発光ダイオード（ＷＬＥＤ）であって、
   一次光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
   光学的に該ＬＥＤに結合された、二次光を放射するための二次発光種であって、該二次光は、該一次光とは異なる波長を有する、二次発光種と、
   該二次発光種と該ＬＥＤとの間の少なくとも１つの光学機能界面であって、該光学機能界面は、該一次光に対して少なくとも部分的に透明であり、該光学機能界面は、該二次光に対して少なくとも部分的に反射的である、少なくとも１つの光学機能界面と
   を含む、ＷＬＥＤ。
2. 前記光学機能界面は、前記ＬＥＤから、該ＬＥＤの横方向長さに少なくとも等しい距離をおいて配置されている、請求項１に記載のＷＬＥＤ。
3. 前記光学機能界面は、第１の材料を含む、請求項１に記載のＷＬＥＤ。
4. 前記光学機能界面は、前記第１の材料の表面を含み、該第１の材料は、その屈折率が前記二次発光種内の前記二次光の前記光学機能界面における全反射を増加する、請求項３に記載のＷＬＥＤ。
5. 前記二次発光種は、前記一次光によって光学的に励起される場合、前記二次光を放射する蛍光体層であり、
   第２の材料が前記ＬＥＤを少なくとも部分的に取り囲み、該第２の材料の屈折率が該ＬＥＤと該第２の材料との間の界面における該ＬＥＤ内での該一次光の全反射を減少し、
   前記第１の材料は、該二次発光種と該第２の材料との間に配置されている、請求項３に記載のＷＬＥＤ。
6. 前記第１の材料の屈折率は、前記蛍光体層の屈折率よりも小さい、請求項５に記載のＷＬＥＤ。
7. 前記ＬＥＤは、ヘッダあるいはカップ上にＬＥＤダイを含み、
   前記第２の材料は、ドーム型外面を含み、該ＬＥＤダイは、該第２の材料および該ヘッダあるいはカップによってカプセル化され、かつ、
   前記第１の材料は該外面をキャップし、前記蛍光体層は該第１の材料をキャップする、請求項５に記載のＷＬＥＤ。
8. 前記第１の材料は、前記一次光の波長より大きい厚さを有するエアギャップである、請求項７に記載のＷＬＥＤ。
9. 前記第２の材料は、レジン、エポキシ、シリコンあるいはガラスである、請求項８に記載のＷＬＥＤ。
10. 前記ＬＥＤヘッダは装着具の上にあり、前記蛍光体層は、反射材料を介して該装着具に取り付けられている、請求項９に記載のＷＬＥＤ。
11. ２つの光学機能界面をさらに含み、該光学機能界面のうちの１つは、第３の材料を含み、該第３の材料は、前記第２の材料および前記第１の材料のうちの少なくともいくつかの間に配置されている、請求項５に記載のＷＬＥＤ。
12. 前記ＬＥＤは、ヘッダあるいはカップ上にＬＥＤダイを含み、
    該ＬＥＤダイは、前記第２の材料および該ヘッダあるいはカップによってカプセル化されており、
    前記第３の材料は、ドーム型外面を含み、
    前記第１の材料は、該外面をキャップし、前記蛍光体層は該第１の材料をキャップし、
    該ＬＥＤは、該ＬＥＤカップ内に配置され、該ＬＥＤの視野角は該第３の材料の該外面の全体を含み、該ＬＥＤカップは前記一次光を該蛍光体に向けて反射する、請求項１１に記載のＷＬＥＤ。
13. ２つ以上の光学機能界面をさらに含む、請求項１に記載のＷＬＥＤ。
14. 前記光学機能界面は、前記ＬＥＤから離れた前記二次発光種によって放射された前記二次光を反射する、請求項１に記載のＷＬＥＤ。
15. 前記蛍光体層からの放射は、黄色光放射であり、前記ＬＥＤダイは、青色を発光するＩＩＩ族ベースのＬＥＤダイである、請求項１に記載のＷＬＥＤ。
16. 前記ＷＬＥＤは、１００ｌｍ／Ｗの総発光効率および１００ｌｍ／Ｗより大きいパッケージング効率を有する白色光を放射する、請求項１に記載のＷＬＥＤ。
17. 前記ＷＬＥＤは、少なくとも６０のカラーレンダリングインデックスを有する白色光を放射する、請求項１に記載のＷＬＥＤ。
18. 白色発光ダイオード（ＷＬＥＤ）を製造する方法であって、
    一次光を放射するための発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供することと、
    該一次光の波長とは異なる波長を有する二次光を放射するために、該ＬＥＤに光学的に結合された二次発光種を提供することと、
    該二次発光種と該ＬＥＤとの間に少なくとも１つの光学機能界面を提供することであって、該光学機能界面は、該一次光に対して少なくとも部分的に透明であり、該光学機能界面は、該二次光に対して少なくとも部分的に反射的である、ことと
    を含む、製造方法。
19. 白色光を放射する方法であって、
    発光ダイオード（ＬＥＤ）から一次光を放射することと、
    該ＬＥＤに光学的に結合された二次発光種から二次光を放射することであって、該二次光は該一次光の波長とは異なる波長を有する、ことと、
    該二次発光種と該ＬＥＤとの間に配置された少なくとも１つの光学機能界面を通って、該一次光を透過し、該少なくとも１つの光学機能界面からの該二次光を反射することであって、該光学機能界面は、該一次光に対して少なくとも部分的に透明であり、該光学機能界面は、該二次光に対して少なくとも部分的に反射的である、ことと
    を含む、方法。

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