JP2011527117A - 蛍光体層を有する発光素子 - Google Patents

Abstract

発光素子及び発光素子を製造する方法が開示される。発光素子は、発光半導体と、発光半導体が封止層内に設けられている封止層と、封止層上に設けられた蛍光体層と、封止層と蛍光体層との間に設けられた空隙とを備える。

Description

本開示は、発光素子に関し、より詳細には、蛍光体層を有する半導体発光素子に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、白熱電球や蛍光光源等の従来の光源に置き代わる魅力的な候補である。ＬＥＤは、白熱電球よりも実質的に高い光変換効率と、これら両種の従来の光源よりも長い寿命とを有する。また、いくつかの種類のＬＥＤは、現在、蛍光光源よりも高い変換効率を有しており、さらに高い変換効率が研究所で実証されている。さらに、ＬＥＤは、蛍光灯よりも必要電圧が低く、そのため、バッテリまたは内部コンピュータＤＣ電源等の低電圧源によって光源を起動させる用途において、より適している。

しかしながら、ＬＥＤは、生成するスペクトル帯の光が比較的狭い。従来の光源に置き代わるには、人の目に「白く」見える光を生成するＬＥＤが必要である。白く見え、かつ蛍光灯の変換効率に匹敵する変換効率を有する光源は、青色光の一部を黄色光に変換する蛍光体層で被覆された青色発光半導体によって構成することができる。青色光対黄色光の比を正しく選定すれば、人の目に白く見える光源が得られる。

一般に、蛍光体層は、蛍光体粒子とシリコーンとの混合物である。ＬＥＤの製造プロセス中、発光半導体を有するキャビティは、通常、発光半導体の上部に蛍光体層が形成されるように、蛍光物質とシリコーンの混合物によって充填される。しかしながら、この蛍光体層は、シリコーン中の蛍光体粒子の変動および厚さのばらつきを含む可能性がある。一般に、製造プロセス中に制御されないこれらの物理的なばらつきは、色温度および演色評価数といった一貫性の無い特性を有するＬＥＤをもたらすことになる。その結果、ＬＥＤは、様々な特性に基づいて分類されて、特定のビンコードが割り当てられるビニングプロセスを経る。ビニングは、ＬＥＤの製造コストを増大させる。

従って、現在のＬＥＤは、概ね意図した目的に適しているものの、ビニングに伴い生じる更なる製造コストにより、それらの全体的な望ましさが損なわれている。従って、ビニングのコストを伴うことなく、一貫性のある特性を有するように製造することのできるＬＥＤが要求されている。

本開示の一つの態様において、発光素子は、発光半導体と、該発光半導体が封止層内に設けられている封止層と、該封止層の上に設けられた蛍光体層と、該封止層と該蛍光体層との間設けられた空隙とを備える。

本開示の別の態様において、発光素子を製造する方法は、発光半導体の光学特性を決定することと、蛍光体層を該発光素子内に組み込む前に、該蛍光体層の光学特性を決定することとを含む。

当業者には、例証としての発光素子の様々な態様に関する実施例に示されかつ説明されている以下の詳細な説明のみから、発光素子の他の態様が容易に明らかになることは理解されよう。当然のことながら、本願明細書に開示されている発光素子の様々な態様は、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な他の観点での変更が可能である。従って、以下の図面および詳細な説明は、本質的に例証としてかつ非限定的と見なすべきである。

本開示の様々な態様は、添付図面に例として、および非限定的に示されている。
蛍光体層を有する発光素子の一例を示す断面図。 複数の発光半導体及び１つの蛍光体層を有する発光素子の一例を示す断面図。 蛍光体層と空隙とを有する発光素子の一例を示す断面図。 複数の発光半導体、蛍光体層及び空隙を有する発光素子の一例を示す断面図。 発光素子の製造の一例を説明するフローチャート。

添付図面に関連して以下に記載されている詳細な説明は、発光素子の様々な態様の説明として意図されており、また、実施することのできる本発明の態様の全ての方法を表すことを意図してはいない。この詳細な説明は、発光素子の様々な態様の完全な理解を実現するという目的のための具体的な詳細を含むが、当業者には、本発明を、これらの具体的な詳細を要することなく実施できることは明白であろう。いくつかの場合においては、周知の構造および構成要素は、本発明の概念を分かりにくくするのを避けるために、概略的に記載されている、および／またはブロック図の形で示されている。

さらに、「上に設けられた」および「透明な」等の本願明細書で用いられている記述用語は、本開示の文脈内において可能な、最も広い意味を与えられるべきである。例えば、別の層の「上に設けられる」と言われる場合には、１つの層を、他の層の上に、直接的または間接的に、堆積、エッチング、付着、または他の方法で準備あるいは作製できることを理解すべきである。また、「透明」であると記載されている物は、関心のある特定の波長（または複数の波長）での電磁放射の著しい妨害または吸収がない特性を有していると理解すべきである。

図１は、蛍光体層１１２を有する発光素子１００の一例を示す断面図である。この実施例において、素子は、基板１０４上に設けられた青色発光半導体１０２を含む。発光半導体１０２は、導電性の配線（図示せず）を介し発光半導体１０２に対して電気的に接続された電源（図示せず）によって駆動する。基板１０４は、例えば、セラミックやエポキシ基板等の絶縁材料であってもよい。基板１０４上にある凹状のハウジング１０６は、例えば、セラミック、樹脂、ポリフタルアミド、ポリカーボネート、又は他の適切な材料からなる層において、例えば、円錐形のキャビティ１０８を穿孔し、キャビティ１０８の内壁１１０を、例えば、アルミニウム、銀、又は、例えば、射出成形により二酸化チタンを含浸した適切なプラスチック等の反射性材料により被覆し、その後、ハウジング１０６を基板１０４上に接合して、形成することができる。それとは別の方法として、凹状のハウジング１０６は、基板１０４内にキャビティ１０８を直接穿孔して形成することもできる。発光半導体１０２は、凹状ハウジング１０６を形成した後、基板１０４に接合することができる。

発光半導体１０２を基板１０４に接合した後、シリコーン等の透過屈折率整合材料が、キャビティ１０８内に堆積される。その後、蛍光体層１１２を凹状ハウジング１０６上に設けて、キャビティ１０８及び発光半導体１０２を覆う。

蛍光体層１１２は、様々な色温度及び分光組成で光を生成するため、発光半導体１０２と共に用いられる。蛍光体層１１２は、シリコーンと、シリコーン中で均一に分散及び懸濁される蛍光体粒子とからなる混合物を含む。蛍光体粒子は、素子１００により生成される光の演色評価数を高めるため、異なる色（例えば、黄色、赤色、青色）を有している。蛍光体層１１２は、均一な放射パターンを与えるため、円盤形状を有している。

蛍光体層１１２の蛍光体粒子分布及び厚さを制御するため、蛍光体層１１２は、例えば、ドクターブレード法やスクリーン印刷法等の適切な手法を用いて、個々に製造することができる。蛍光体層１１２の製造プロセスは、蛍光体層１１２の蛍光体粒子の分布及び厚さの均一性を最適化するように制御することができる。蛍光体層１１２は、製造後、発光半導体１０２とは別に検査される。これにより、蛍光体層１１２及び発光半導体１０２のそれぞれの光学特性（例えば、色温度、演色評価数）を決定するための機会が提供される。このようにして、複数の蛍光体層１１２及び発光半導体１０２の光学特性は、これらを各素子１００の中へ組み込む前に得ることができる。素子１００に関する幾つかの所定の基準に基づいて、特定の特性を有する蛍光体層１１２及び発光半導体１０２の使用が、素子１００の構成において要求されることがある。所望の特性を備えた蛍光体層１１２及び発光半導体１０２を選択すれば、素子１００の光学特性を予め決定することができる。このような方法で、素子１００の光学特性を予め決定すれば、ビニングプロセスが省略されるため、製造コストが低減される。

動作中、発光半導体１０２は青色光を放射する。青色光の一部は蛍光体層１１２の蛍光体粒子に吸収され、青色残光は蛍光体層１１２を通過する。一旦、青色光が蛍光体粒子に吸収されると、蛍光体粒子は、それぞれの色の光を放射する。ストークスシフトとして知られる蛍光体粒子からのカラー光の二次的な放射は、青色残光と光学的に混合され、こうして生成された混合スペクトルは、人の目には白色として認識される。

図２は、複数の発光半導体２０２及び１つの蛍光体層２１２を有する発光素子２００の一例を示す断面図である。図２に示す各発光半導体２０２、基板２０４、凹状ハウジング２０６、キャビティ２０８、反射性内壁２１０及び蛍光体層２１２はれ、図１の発光半導体１０２、基板１０４、凹状ハウジング１０６、キャビティ１０８、反射性内壁１１０及び蛍光体層１１２にそれぞれ対応している。従って、これらについてはその説明を省略する。

素子２００は、図１の素子１００とは、発光半導体２０２の数が異なる。素子２００は、任意のサイズの配列（例えば、３×３の配列で配置された９個の発光半導体２０２）で配置される任意の数の発光半導体２０２（例えば、９個の発光半導体２０２）を含むことができる。

図１を参照して前述したように、素子２００を構成する間に、蛍光体層２１２を個々に製造及び検査することができる。また、図１を参照して説明したように、発光半導体２０２及び蛍光体層２１２は、これらを素子２００へ組み込む前に、それらの光学特性に基づいて選択することができる。これにより、選択された蛍光体層２１２及び発光半導体２１２を有する素子２００が所望の光学特性を確実に有するようになる。例えば、同様の平均波長を有する９個の発光半導体２０２と、均一な厚さ及び蛍光体粒子分散を有する蛍光体層２１２とを用いて、素子２００を構成することができ、その結果、蛍光体層２１２及び発光半導体２２０の特定の光学特性は、均一な色温度を有することができる。

図３は、蛍光体層３１４及び空隙を有する発光素子３００の一例を示す断面図である。図３に示す発光半導体３０２、基板３０４、凹状ハウジング３０６、キャビティ３０８、反射性内壁３１０及び蛍光体層３１４は、図１の発光半導体１０２、基板１０４、凹状ハウジング１０６、キャビティ１０８、反射性内壁１１０及び蛍光体層１１２にそれぞれ対応している。従って、これらについてその説明は省略する。

素子３００は、発光半導体３０２を封止するように堆積される封止層３１２を含む点において、図１の素子１００とは異なる。封止層３１２は、例えば、シリコーン又は同様の材料物質で構成することができる。封止層３１２は、例えば、半球ドーム状の適切な任意の形状にすることができる。蛍光体層３１４は、封止層３１２と蛍光体層３１４との間に空隙を生じるように、凹状ハウジング３０６によって支持することができる。

素子３００の構造は、素子３００が所望の光学特性を確実に有するようにするため、蛍光体層３１４及び発光半導体３０２をそれらの特性に基づいて選択し、かつ素子３００の構成に組み合わされるという点で、図１の素子１００の構造と類似している。

図４は、封止層４１２により封止された複数の発光半導体４０２と、蛍光体層４１４と、封止層４１２及び蛍光体層４１４間の空隙とを有する発光素子４００の一例を示す断面図である。図４に示す各発光半導体４０２、基板４０４、凹状ハウジング４０６、キャビティ４０８、反射性内壁４１０、封止層４１２及び蛍光体層４１２は、図３の発光半導体３０２、基板３０４、凹状ハウジング３０６、キャビティ３０８、反射性内壁３１０、封止層３１２及び蛍光体層３１４にそれぞれ対応している。従って、これらについてその説明は省略する。

素子４００は、図３の素子３００とは、封止された発光半導体４０２の数が異なる。素子４００は、図２に示す素子２００と同様に、任意のサイズの配列で配置される任意の数の発光半導体４０２を含むことができる。

素子３００の構造は、素子４００が所望の光学特性を確実に有するようにするため、蛍光体層４１４及び発光半導体４０２をそれらの特性に基づいて選択し、かつ素子４００の構成に組み合わされるという点で、図２の素子２００の構造と類似している。

図５は、発光素子、例えば、素子１００、２００、３００、４００のうちの１つを製造するプロセスの一例を示すフローチャートである。このプロセスは開始後、ブロック５０２へと進み、少なくとも１つの発光半導体を検査して、その光学特性が決定される。ブロック５０２の後、プロセスは、ブロック５０４へと進み、少なくとも１つの蛍光体層を検査して、その光学特性が決定される。

一旦、発光半導体及び蛍光体層の光学特性が決定されると、プロセスは、ブロック５０６へと進み、蛍光体層と少なくとも１つの発光半導体とがこれらの決定された光学特性に基づいて選択されて、発光素子の構成に用いられる。そして、プロセスは、ブロック５０８へと進み、選択された蛍光体層及び少なくとも１つの発光半導体が、発光素子に組み込まれる。

上述したように、予め選択された発光半導体及び蛍光体層を有するＬＥＤは、数多くの用途に用いることができる。例として、これらのＬＥＤは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライト用途に、よく適している。他の用途として、以下に限定しないが、自動車の車内照明、電球、ランタン、街路灯、懐中電灯、又はＬＥＤが使用される他の任意の用途が挙げられる。

上記の記載は、当業者が、本願明細書に記載されている様々な態様を実施するために提供されている。当業者には、これらの態様に対する様々な変更は容易に分かるであろうし、また、本願明細書で定義されている包括的な原理は、他の態様に適用することができる。従って、請求の範囲は、本願明細書に示されている態様に限定されることを意図するものではなく、請求の範囲の用語と一致する全ての範囲を許容すべきであり、この場合、単数の要素に対する言及は、別段の指定のない限り、「１つおよび１つのみ」を意味することは意図されておらず、「１つ以上」を意味する。別段の指定のない限り、「いくつかの」という用語は、１つ以上を指す。当業者に知られている、または、後に知られることとなる、本開示全体に記載されている様々な態様の要素と構造的かつ機能的な同等物は、参照により本願明細書に明示的に組み込まれ、かつ請求の範囲によって包含されることが意図されている。また、このような開示が請求の範囲に明示的に列挙されているかどうかに関係なく、公衆に開放されることを意図するものは、本願明細書には開示されていない。請求の範囲の要素は、「する手段」という言いまわしを用いて明示的に列挙されていない限り、または、方法クレームの場合には、「するステップ」という言いまわしを用いて列挙されている場合を除き、米国特許法第１１２条第６段落の条項に従うものと解釈すべきではない。

Claims (14)

1. 発光半導体と、
   前記発光半導体が封止層内に配置されている封止層と、
   前記封止層上に設けられた蛍光体層と、
   前記封止層と前記蛍光体層との間に設けられた空隙と、
   を備える発光素子。
2. 請求項１記載の発光素子は、更に、
   複数の発光半導体を備え、
   前記各発光半導体は、前記封止層内にそれぞれ配置されている発光素子。
3. 請求項１記載の発光素子は、更に、
   前記蛍光体層を支持するように構成された凹状ハウジングを備える発光素子。
4. 請求項１記載の発光素子において、
   前記封止層は、シリコーンである発光素子。
5. 請求項１記載の発光素子において、
   凹状ハウジングは、反射性内壁を備える発光素子。
6. 請求項１記載の発光素子において、
   前記蛍光体層は、ドクターブレード法によって製造される発光素子。
7. 請求項１記載の発光素子において、
   前記蛍光体層は、スクリーン印刷法によって製造される発光素子。
8. 請求項１記載の発光素子において、
   前記発光素子の光学特性は、予め決定されている発光素子。
9. 発光素子を製造する方法であって、
   発光半導体の光学特性を決定する段階と、
   蛍光体層を前記発光素子に組み込む前に、蛍光体層の光学特性を決定する段階と
   を含む方法。
10. 請求項９記載の方法において、
    前記発光半導体の光学特性を決定する段階は、複数の発光半導体の光学特性を決定する段階を含む方法。
11. 請求項１０記載の方法において、
    前記蛍光体層の光学特性を決定する段階は、複数の蛍光体層の光学特性を決定する段階を含む方法。
12. 請求項１１記載の方法は、更に、
    前記発光半導体及び蛍光体層のそれぞれの光学特性に基づいて、複数の前記発光半導体から少なくとも１つの発光半導体と、複数の前記蛍光体層から１つの蛍光体層とを選択する段階を含む方法。
13. 請求項１２記載の方法は、更に、
    選択された蛍光体層及び少なくとも１つの発光半導体に基づいて、前記発光素子の光学特性を決定する段階を含む方法。
14. 請求項１３記載の方法は、更に、
    選択された蛍光体層及び少なくとも１つの発光半導体を、前記発光素子に組み込む段階を含む方法。

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