JP2012060180A - 発光装置用の発光セラミック - Google Patents

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ミュラー，ゲルト，オー
Regina B Mueller-Mach
ミュラー−マッハ，レジーナ，ベー
L Klameth Michael
クラメス，ミヒャエル，エル
Peter Yacht Schmidt
シュミット，ペーテル，ヨット
Helmut Bechtel
ベヒテル，ヘルムート
Joerg Meyer
メイヤー，イェルク
Graaf Jan De
グラーフ，ヤン デ
Teo Arnold Kopp
アルノルド コップ，テオ
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Abstract

【課題】従来の蛍光体層よりも頑丈で、温度に対する感度が低い発光装置用の発光セラミック。
【解決手段】ｎ−型領域とｐ−型領域の間に設置された発光層を有する半導体発光装置は、発光層によって放射される光の光路に設置されたセラミック層と一体化される。セラミック層は、蛍光体のような波長変換材料で構成され、あるいはそのような材料を有する。本発明の実施例による発光セラミック層は、従来の蛍光体層よりも頑丈で、温度に対する感度が低い。また、発光セラミック層は、散乱が少ないため、従来の蛍光体層を超える高い変換効率が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換式半導体発光装置に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、光スペクトルの特定の領域にピーク波長を有する光を発生させることが可能な半導体装置として、良く知られている。通常ＬＥＤは、照明器、標識およびディスプレイとして使用される。従来より、最も効率的なＬＥＤは、光スペクトルの赤色の領域にピーク波長を有する光、すなわち赤色光を放射するものである。ただし、スペクトルのＵＶから緑色の領域にピーク波長を有する光を効率的に放射する、ＩＩＩ族−窒化物ＬＥＤが開発されている。ＩＩＩ族−窒化物ＬＥＤは、従来のＬＥＤに比べて、極めて明るい出力光を提供することができる。
また、通常、ＩＩＩ族−窒化物装置からの光は、赤色光に比べて波長が短く、ＩＩＩ族−窒化物ＬＥＤによって生じる光は、変換により、容易により長い波長の光を形成することができる。発光／蛍光として知られる処理プロセスを利用することにより、第１のピーク波長を有する光（一次光）を、より長いピーク波長を有する光（二次光）に変換することが可能であることは、良く知られている。蛍光処理プロセスは、蛍光体のような波長変換材料によって、一次光を吸収するステップと、蛍光材料の発光中心を励起して、二次光を放射させるステップとを有する。二次光のピーク波長は、蛍光材料に依存する。蛍光材料の種類は、二次光が特定のピーク波長を有するように選定することができる。
図１を参照すると、この図には、米国特許第６，３５１，０６９号に記載の従来の蛍光体ＬＥＤ１０が示されている。ＬＥＤ１０は、ＩＩＩ族−窒化物色素１２を含んでおり、この色素は、活性化されると、青色の一次光を発生する。ＩＩＩ族−窒化物色素１２は、反射器キャップリードフレーム１４上に設置され、リード１６および１８と電気的に接続される。リード１６および１８は、ＩＩＩ族−窒化物色素１２に電力を誘導する。ＩＩＩ族−窒化物色素１２は、しばしば透明樹脂である層２０で覆われ、この層は、波長変換材料２２を含む。層２０の構成に利用される波長変換材料の種類は、蛍光材料２２によって生じる二次光の、所望のスペクトル分布に応じて変えることができる。ＩＩＩ族−窒化物色素１２および蛍光体層２０は、レンズ２４で覆われている。通常レンズ２４は、透明エポキシまたはシリコーンで構成される。
作動の際には、ＩＩＩ族−窒化物色素１２に電力が供給され、色素が活性化する。活性化の際、色素１２は、色素の上部表面から一次光を放射する。放射一次光の一部は、層２０内の波長変換材料２２によって吸収される。次に、この波長変換材料２２は、一次光の吸収に応答して、二次光、すなわちより長いピーク波長を有する変換光を放射する。放射一次光の残りの未吸収部分は、二次光とともに波長変換層を透過する。レンズ２４は、未吸収一次光と二次光を、出力光として矢印２６で示される一般的な方向に誘導する。これにより、出力光は、色素１２から放射された一次光と、波長変換層２０からから放射された二次光とで構成された複合光となる。また、ＵＶ一次光を放射する色素が、可視二次光を放射する１または２以上の波長変換材料と組み合わされる場合、波長変換材料は、極めて僅かの一次光しか装置から漏洩しないように、あるいは一次光が全く装置から漏洩しないように配置されても良い。
米国特許第６，３５１，０６９号 米国特許第６，６３０，６９１号 米国特許第６，６９６，７０３号 米国特許第６，５７６，４４８号
ＩＩＩ族−窒化物ＬＥＤは、高電力かつ高温で作動されるため、層２０に使用される有機封止材の透明度は低下し易く、装置に光抽出効率の好ましくない低下が生じ、装置から放射される光の外観に、好ましくない変化が生じるおそれがある。波長変換材料のいくつかの代替配置が提案されており、例えば、米国特許第６，６３０，６９１号には、単結晶発光基板上で、ＬＥＤ装置を成長させることが記載されており、米国特許第６，６９６，７０３号には、薄膜蛍光体層が記載されており、米国特許第６，５７６，４４８号には、電気泳動析出法で、また米国特許第６，６５０，０４４号には、ステンシル法で成膜された共形層（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｌａｙｅｒ）が記載されている。しかしながら、前述の解決策には、蛍光体／封止材系の光不均質性という一つの大きな問題があり、このため、散乱、さらには変換効率のロスが生じるおそれがある。
本発明の実施例では、ｎ−型領域とｐ−型領域の間に設置された発光層を有する半導体発光装置が、発光層によって放射される光の光路に設置されたセラミック層と組み合わされる。セラミック層は、蛍光体のような波長変換材料からなり、あるいはそのような材料を含む。本発明による発光セラミック層は、従来の蛍光体層に比べて、より頑丈（ｒｏｂｕｓｔ）で、温度に対する感度が低い。さらに、発光セラミックは、散乱性が低く、このため変換効率が高まり、従来の蛍光体層を超えるようになる。
従来の蛍光体変換式半導体発光装置を示す図である。 セラミック蛍光体層を有するフリップチップ半導体発光装置を示す図である。 接合されたホスト基板とセラミック蛍光体層とを有する半導体発光装置を示す図である。 セラミック蛍光体層内のドーピングプロファイルの一例を示す図である。 複数のセラミック層を有する半導体発光装置を示す図である。 共有セラミック蛍光体層を有する半導体発光装置を示す図である。 装置内のエピタキシャル層よりも幅の広いセラミック蛍光体層を有する半導体発光装置を示す図である。 セラミック蛍光体層と熱抽出構造部とを有する半導体発光装置を示す図である。
薄膜のまたは共形の蛍光体層を有する前述の装置は、取り扱いが極めて難しい。蛍光体層は、脆くて壊れやすいためである。本発明の実施例では、蛍光体のような波長変換材料は、本願において「発光セラミック」と呼ばれるセラミック厚板に形成される。通常の場合、セラミック厚板は、半導体装置とは独立に形成された自己支持層であり、その後、完成した半導体装置に取り付けられ、あるいは半導体装置用の成長基板として使用される。セラミック層は、半透明または透明であり、これにより、共形層のような不透明波長変換層に見られる散乱ロスが抑制される。発光セラミック層は、薄膜のまたは共形の蛍光体層に比べて、より頑丈である。また、発光セラミック層は、固体であるため、この層を、同様に固体であるレンズおよび二次光学機器のような追加の光学素子に光学的に接触させることが容易である。
発光セラミック層内に形成される蛍光体の一例には、黄色−緑色領域の光を放射するＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋およびＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋のような、一般式が（Ｌｕ１−ｘ−ｙ−ａ−ｂＹｘＧｄｙ）３（Ａｌ１−ｚＧａｚ）５Ｏ１２：ＣｅａＰｒｂ、ここで０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、０＜ｂ≦０．１、ならびに赤色領域の光を放射するＳｒ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋のような、一般式が（Ｓｒ１−ｘ−ｙＢａｘＣａｙ）２−ｚＳｉ５−ａＡｌａＮ８−ａＯａ：Ｅｕｚ ２＋、ここで０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１のアルミニウムガーネット蛍光体が含まれる。適当なＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋セラミック厚板は、バイコウスキー社（Ｂａｉｋｏｗｓｋｉ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ、ＮＣ）から入手できる。また他の緑色、黄色および赤色を放射する蛍光体としては、例えば、ＳｒＳｉ２Ｎ２Ｏ２：Ｅｕ２＋のような、（Ｓｒ１−ａ−ｂＣａｂＢａｃ）ＳｉｘＮｙＯｚ：Ｅｕａ ２＋（ａ＝０．００２〜０．２、ｂ＝０．０〜０．２５、ｃ＝０．０〜０．２５、ｘ＝１．５〜２．５、ｙ＝１．５〜２．５、ｚ＝１．５〜２．５）；例えばＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋のような、（Ｓｒ１−ｕ−ｖ−ｘＭｇｕＣａｖＢａｘ）（Ｇａ２−ｙ−ｚＡｌｙＩｎｚＳ４）：Ｅｕ２＋；Ｓｒ１−ｘＢａｘＳｉＯ４：Ｅｕ２＋；ならびに例えばＣａＳ：Ｅｕ２＋およびＳｒＳ：Ｅｕ２＋のような、（Ｃａ１−ｘＳｒｘ）Ｓ：Ｅｕ２＋、ただし０＜ｘ≦１；を含むことが好ましい。
発光セラミックは、蛍光体粒子の表面が軟化し溶融し始めるまで、粉末蛍光体を高圧力下で加熱することにより形成しても良い。部分溶融粒子が相互に固着して、粒子の硬質凝集体が形成される。光学的な不連続性のない、光学的に単一の大きな蛍光体粒子として振る舞う薄膜とは異なり、発光セラミックは、稠密充填された個々の蛍光体粒子として振る舞うため、異なる蛍光体粒子同士の界面には、小さな光学的不連続性が存在する。従って、発光セラミックは、光学的にほとんど均一であり、発光セラミックを構成する蛍光体材料と同じ屈折率を有する。共形蛍光体層または樹脂のような透明材料中に設置された蛍光体層とは異なり、通常、発光セラミックは、蛍光体自身の他には結合材料（有機樹脂またはエポキシ等）が不要であり、そのため個々の蛍光体粒子の間には、極めて小さな空間または屈折率の異なる材料が存在する。その結果、発光セラミックは、共形蛍光体層とは異なり、透明または半透明となる。
発光セラミック層は、例えば、ウェハ接合法、焼結法、エポキシまたはシリコーンのような従来の有機接着材の薄膜層での接着法、高屈折率無機接着材での接着法、およびゾルゲルガラスでの接着法により、発光装置に設置されても良い。
高屈折率接着材の例には、ショットガラス（Ｓｃｈｏｔｔ ｇｌａｓｓ）ＳＦ５９、ショットガラスＬａＳＦ３、ショットガラスＬａＳＦ Ｎ１８、およびこれらの混合物のような高屈折率光学ガラスが含まれる。これらのガラスは、ドリエー（Ｄｕｒｙｅａ、Ｐａ）のショットガラステクノロジー社（Ｓｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）から入手できる。他の高屈折率接着材の例には、（Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）カルコゲナイドガラスのような高屈折率カルコゲナイドガラス、これに限られるものではないが、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓおよびＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、これに限られるものではないが、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅおよびＣｄＴｅのようなＩＩ−ＶＩ族半導体、これに限られるものではないが、ＳｉおよびＧｅのようなＩＶ族半導体およびその化合物、有機半導体、これに限られるものではないが、タングステン酸化物、チタン酸化物、ニッケル酸化物、ジルコニウム酸化物、インジウムスズ酸化物およびクロム酸化物のような金属酸化物、これに限られるものではないが、マグネシウムフッ化物、カルシウムフッ化物のような金属フッ化物、これに限られるものではないが、Ｚｎ、Ｉｎ、ＭｇおよびＳｎのような金属、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、リン化合物、ヒ素化合物、アンチモン化合物、窒化物、高屈折率有機化合物、ならびにこれらの混合物または合金が含まれる。高屈折率無機接着材での接着法は、本願の参照文献として取り入れられている、２０００年９月１２日に出願された米国特許出願第０９／６６０，３１７号、および２００１年６月１２日に出願された米国特許出願第０９／８８０，２０４号に、より詳しく記載されている。
ゾルゲルガラスで接着する方法は、本願の参照文献として取り入れられている米国特許第６，６４２６１８号に、より詳しく記載されている。ゾルゲルガラスを用いて装置に発光セラミックが取り付けられた実施例では、ガラスの屈折率を発光セラミックおよび発光装置の屈折率により近づけるため、チタン、セリウム、鉛、ガリウム、ビスマス、カドミウム、亜鉛、バリウム、もしくはアルミニウムの各酸化物のような１または２以上の材料が、ＳｉＯ２ゾルゲルガラスに含有され、ガラスの屈折率が増大される。例えば、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋セラミック層は、約１．７５から１．８の間の屈折率を有し、この層が半導体発光装置のサファイアの成長基板に取り付けられる。サファイア基板は、約１．８の屈折率を有する。接着材の屈折率を、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋セラミック層およびサファイア成長基板の屈折率と整合させることが好ましい。
いくつかの実施例では、発光セラミックは、半導体発光装置の成長基板として援用しても良い。これは、格子ミスマッチ基板（例えば、サファイアまたはＳｉＣ）上に成長させることができる、ＩｎＧａＮのようなＩＩＩ族−窒化物発光層を有することが特に好ましく、これにより高い転位密度が得られるが、ＬＥＤは、依然として高い外部量子効率を示す。このように、半導体発光装置は、同様の方法で発光セラミック上に成長させても良い。例えば、通常低温（〜５５０℃）で、金属−有機化学気相物理エピタキシーまたは別のエピタキシャル技術を用いて、発光セラミック基板上に、直接ＩＩＩ族−窒化物核発生層が成膜される。次に、通常は高温で、ＩＩＩ族−窒化物核発生層上に、ＧａＮ（「バッファ」層）より厚い層が成膜され、単結晶膜と合体される。バッファ層の厚さを厚くすることにより、全体的な転位密度を抑制し、層の品質を向上させることができる。最後に、ｎ−型およびｐ−型層が設置され、両者の間に、発光ＩＩＩ族−窒化物活性層が設置される。ＩＩＩ族−窒化物成長環境（例えば、１０００℃以上の温度のＮＨ３雰囲気）に耐え得る特性を得るため、成長基板として発光セラミックを選定する必要がある。セラミックは多結晶であり、得られるＩＩＩ族−窒化物層は、単結晶であるため、追加で特殊な成長条件を考慮しても良い。例えば、前述の状況では、ＧａＮバッファ層の内部に、複数の低温中間層を挿入して、ＧａＮの成長を「リセット」し、セラミック領域の配向が、ＩＩＩ族−窒化物装置層にまで延伸することを回避することが必要となる。これらのおよび他の技術は、格子ミスマッチ基板上で成長を行う技術として、よく知られている。適当な成長技術は、例えば、本願の参照文献として取り入れられている、本願の譲受人に譲渡された、Ｇｏｅｔｚらの米国特許第６，６３０，６９２号に記載されている。
以下の例では、ＩＩＩ族−窒化物発光ダイオードについて説明するが、本発明の実施例は、ＩＩＩ族−リン化合物およびＩＩＩ族−ヒ素化合物のような他の材料系の装置、ならびに共振孔ＬＥＤ、レーザーダイオード、垂直孔表面放射レーザーのような他の構造を含む、他の発光装置にも及ぶことを理解する必要がある。
図２および３には、発光セラミック層を有するＩＩＩ族−窒化物装置を示す。図２の装置では、適当な成長基板４０の上に、ｎ−型領域４２が成長しており、その後活性領域４３とｐ−型領域４４が形成される。成長基板４０は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮまたは他のいかなる適当な成長基板であっても良い。ｎ−型領域４２、活性領域４３およびｐ−型領域４４の各々は、組成、厚さおよびドーパント濃度が異なる複数の層を含んでも良い。例えば、ｎ−型領域４２とｐ−型領域４４は、オーム抵抗が最適化された接触層、および活性領域４３内にキャリアを含むように最適化されたクラッド層を含んでも良い。活性領域４３は、単一の発光層を有しても良く、あるいはバリア層によって分離された複数の量子井戸発光層を有しても良い。
図２に示す装置では、ｐ−型領域４４および活性領域４３の一部がエッチング除去され、ｎ−型領域４２の一部が残留する。ｐ−接触部４５は、残留したｐ−型領域４４の部分に形成され、ｎ−接触部４６は、露出したｎ−接触部４６部分の上に形成される。図２に示した実施例では、接触部４５および４６は、反射性であり、光は、基板４０の背面を通って、装置から抽出される。あるいは、接触部４５および４６は、透明であり、またはｐ−型領域４４とｎ−型領域４２の表面の大部分が接触部によって被覆されずに残っていても良い。そのような装置では、光は、エピタキシャル構造の上部表面であって、接触部４５および４６が形成された表面を通って、装置から抽出される。
図３に示す装置では、エピタキシャル層は、ｐ−接触部４５を介してホスト基板４９に接合される。ｐ−型領域４４とホスト４９の間に、接合を容易にする追加の層（図示されていない）が導入されても良い。エピタキシャル層がホスト４９と接合された後、成長基板が除去され、ｎ−型領域４２の表面が露出する。活性領域のｐ−側との接触は、ホスト４９を介して行われる。ｎ−接触部４６は、ｎ−型領域４２の露出表面の一部に形成される。光は、ｎ−型領域４２の上部表面を介して、装置から抽出される。成長基板の除去については、本願の譲受人に譲渡され、本願の参照文献として取り入れられている、２００４年３月１９日に出願された「フォトニック結晶発光装置」と言う題目の米国特許出願第１０／８０４，８１０号に詳しく記載されている。
図２および３に記載の装置では、前述のセラミック層のような発光セラミック層５０は、装置の光が抽出される表面に設置される。すなわち、図２の基板４０の背面、および図３のｎ−型領域４２の上部である。セラミック層５０は、装置から光が抽出されるいかなる表面上に形成され、またはいかなる表面に取り付けられても良い。例えば、セラミック層５０は、図２に示す装置の側面に延伸しても良い。図３には、追加のフィルタ３０を示す。このフィルタにより、活性領域４３からの光は、セラミック層５０を通過するが、セラミック層５０によって放射された光は、反射するため、セラミック層５０によって放射された光が装置５２に入射することが抑制される。光が装置５２に入射することは、吸収およびロスにつながる。適当なフィルタの例には、リヒテンシュタインのユナキス（Ｕｎａｘｉｓ Ｂａｌｚｅｒｓ）社、またはカリフォルニア、サンタローザのオプティカルコーティングラボラトリー社（Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏａｔｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｉｎｃ．）より入手できるダイクロイックフィルタが含まれる。
発光セラミック層５０は、単一の蛍光体を含んでも良く、あるいは相互に混合された複数の蛍光体を含んでも良い。いくつかの実施例では、セラミック層中の活性ドーパントの量は、傾斜化されている。図４には、発光セラミック層内の、傾斜化したドーピングプロファイルの一例を示す。図４において破線は、装置の表面を表している。装置表面に最近接のセラミック層の部分の蛍光体は、最も高いドーパント濃度を有する。装置表面からの距離が増大するとともに、蛍光体中のドーパント濃度が低下する。図４には、一定のドーパント濃度の領域を有する直線ドーパントプロファイルが示されているが、傾斜化プロファイルは、例えば、ステップ状の傾斜プロファイル、または指数関数的なプロファイルのような、いかなる形状を含んでも良く、ドーパント濃度が一定の領域を複数含んでも、ドーパント濃度が一定の領域を全く含まなくても良いことは明らかである。また、いくつかの実施例では、傾斜プロファイルを反転させ、装置表面に最近接の領域が、低いドーパント濃度を有し、装置表面からの距離の増加とともに、濃度が増加するようにすることが有意である。いくつかの実施例では、装置表面から最も遠いセラミック層の部分は、いかなる蛍光体またはいかなるドーパントも有さず、あるいは（以下に示すような）光抽出用に定形されても良い。
いくつかの実施例では、図５に示す装置のように、装置は、複数のセラミック層を有する。セラミック層５０ａは、例えば、図２および３に示す装置のいずれかのように、装置５２に設置される。セラミック層５０ｂは、セラミック層５０ａに設置される。いくつかの実施例では、２つのセラミック層５０ａおよび５０ｂの一方は、装置に使用される全ての波長変換材料を含有し、２つのセラミック層のうちの他方は、透明で、その層が装置５２に隣接するセラミック層である場合、スペーサ層として使用され、その層が装置５２から最も遠いセラミック層である場合、光抽出層として使用される。いくつかの実施例では、セラミック層５０ａおよび５０ｂの各々は、異なる一つの蛍光体または複数の蛍光体を有しても良い。図５には、２つのセラミック層が示されているが、３以上のセラミック層および／または３以上の蛍光体を有する装置が本発明の範囲に含まれることは明らかである。セラミック層５０ａおよび５０ｂ中の異なる蛍光体の配置、またはセラミック層５０ａおよび５０ｂ自身の配置は、装置内の複数の蛍光体同士の相互作用を制御するように選定されても良く、これは、２００４年２月２３日に出願され、本願の参照文献として取り入れられている米国特許出願第１０／７８５，６１６号に示されている。図５において、セラミック層５０ａおよび５０ｂは、装置５２の上部に積層された状態で示されているが、他の配置とすることも可能であり、そのような配置は、本発明の範囲に属する。いくつかの実施例では、１または２以上のセラミック層を有する装置は、図１に示す波長変換材料または薄膜フィルム、共形層および従来技術の欄において記載した発光物質等の他の波長変換層と組み合わされても良い。発光性を有さない透明セラミック層は、例えば、活性ドーパントを含まない、発光セラミック層と同様のホスト材料である。
発光セラミック層の利点は、例えば、光抽出性を高めるため、所望の形状にセラミック層を、成形、粉砕、機械加工、ホットスタンプまたは研磨することが可能であることである。通常、発光セラミック層は、高い屈折率を有し、例えば、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋セラミック層の場合、屈折率は１．７５乃至１．８である。高屈折率セラミック層と低屈折率の空気の間の界面での全内部反射を回避するため、セラミック層は、図６および７に示すような形状にしても良い。図６に示した装置では、発光セラミック層５４は、ドームレンズのようなレンズ型に定形される。装置からの光抽出は、セラミック層の上部を、無秩序にまたは例えば図７のようなフレネルレンズ形状に構造化することにより、さらに向上する。いくつかの実施例では、セラミック層の上部は、セラミック内に形成されたホールの周期格子のようなフォトニック結晶構造で構造化されても良い。定形セラミック層は、その層が設置された装置５２の面よりも小さく、またはこれと同寸法であっても良く、あるいは図６および７に示すように、その層が設置された装置５２の面よりも大きくても良い。図７のような装置では、上部にセラミック層が設置された装置５２の面の全長の少なくとも２倍の長さの底部を有する定形セラミック層において、好ましい光抽出が期待できる。いくつかの実施例では、波長変換材料は、装置５２に最近接のセラミック層の部分に収容される。他の実施例では、図７に示すように、波長変換材料は、第１のセラミック層５０ａ内に設置され、その後、第２の定形された透明セラミック層５０ｂに設置される。
いくつかの実施例では、上部セラミック層の表面は、光混合に必要な散乱性を高めるため、粗くされており、例えば、発光装置からの光と、１または２以上の波長変換材料からの光が装置内で混合されて、白色光が生じる。他の実施例では、従来から知られているレンズまたはライトガイドのような二次光学機器によって、十分な混合がなされる。
発光セラミック層の別の利点は、セラミックの熱特性が良好であることである。図８には、発光セラミック層と熱抽出構造とを有する装置が示されている。図８の装置は、図７に示すような透明または発光性のセラミック層５０ｂを有し、この層は、光抽出用に定形されている。層５０ｂと装置５２の間には、任意で追加の透明または発光性のセラミック層５０ａが設置される。装置５２は、例えば図２に示すようなフリップチップ等のサブマウント５８の上に設置される。サブマウント５８および図３のホスト基板４９は、例えば、Ｃｕ箔、Ｍｏ、Ｃｕ／ＭｏおよびＣｕ／Ｗのような金属；例えばＰｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇの１または２以上を含むΩ接触部を有するＳｉおよびそのようなΩ接触部を有するＧａＡｓのような、金属接触部を含む半導体；圧縮ダイヤモンドのようなセラミック；である。層５６は、セラミック層５０ｂをサブマウント５８に接続する熱伝導性材料であり、必要に応じて、発光セラミック層５０ａおよび／または５０ｂの温度が抑制され、これにより光出力が向上する。層５６に適した金属には、前述のサブマウント材料が含まれる。ＳｉＣのような伝導性物質を含むフリップチップ装置から熱を抽出する際、図８に示す配置は、特に有意である。
サファイア基板に拡散接合された、セリウムドープ化イットリウムアルミニウムガーネットセラミック厚板の例を以下に示す。
拡散結接合ＹＡＧ−サファイア複合材は、それらの複合材料の高い機械的強度および優れた光学的品質の点で、有意である。Ａｌ２Ｏ３および３Ｙ２Ｏ３ ５Ａｌ２Ｏ３の組成範囲のイットリア−アルミナの平衡状態図によれば、３３％Ａｌでの共晶（ｅｕｔｅｃｔｉｃｕｍ）を除き、他の相は存在しない。従って、焼結接合ＹＡＧ−サファイア複合材は、ＹＡＧセラミック（ｎｉ＝１．８４）とサファイア基板（ｎｉ＝１．７６）の間の（共析）界面で、平均的な屈折率を有し、これにより高品質の光学的な接触が得られる。また、ＹＡＧとサファイアでは、膨張係数が同等である（ＹＡＧ：６．９×１０−６Ｋ−１、Ａｌ２Ｏ３：８．６×１０−６Ｋ−１）ため、低機械的応力の焼結接合ウェハが形成される。
拡散接合ＹＡＧ：Ｃｅセラミック−サファイアウェハは、以下のようにして形成される。
ａ）ＹＡＧ：Ｃｅのセラミックの製作： ４０ｇのＹ２Ｏ３（９９．９９８％）、３２ｇのＡｌ２Ｏ３（９９．９９９％）、および３．４４ｇのＣｅＯ２をイソプロパノールに入れ、１．５ｋｇの高純度アルミナボール（直径２ｍｍ）を用いて、ローラーベンチで１２時間ミル処理した。乾燥後、ＣＯ雰囲気下、１３００℃で、前駆体粉末を２時間焼成した。次に得られたＹＡＧ粉末を、エタノール環境で、プラネットボールミル（瑪瑙ボール）を用いて粉砕した。次に、セラミックスラリーをスリップキャストし、乾燥後にセラミック生形体を得た。次に、この生形体をグラファイト板に挟んで、１７００℃で２時間焼結した。
ｂ）サファイアウェハとＹＡＧ：Ｃｅセラミックの拡散接合：一軸ホットプレス機器（ＨＵＰ）内で、研磨されたサファイアとＹＡＧのウェハを拡散接合する。このため、サファイアとＹＡＧのウェハを、タングステン箔（厚さ０．５ｍｍ）の間に積層して、グラファイト製圧縮型内に設置した。処理速度を高める場合、いくつかのサファイア／ＹＡＧ：Ｃｅセラミック／タングステン箔の積層物を積層することで、同時に処理が行われる。
ＨＵＰ機器の真空処理後、まず、外部圧力を加えずに、最大４時間で、温度を１７００℃まで昇温する。次に、３００ｂａｒの圧力を付与し、２時間この状態に保持する。この保持の後、圧力を一定に保持したまま、温度を最大２時間で１３００℃まで下げる。最後に、圧力開放後、最大６時間で、システムを室温まで冷却する。
ｃ）焼結接合サファイア−ＹＡＧ：Ｃｅウェハの後処理：焼結接合ウェハの表面を研磨した後、サンプルを１３００℃で２時間、空気中で熱処理し（加熱速度：３００Ｋ／時間）、その後、最大１２時間で室温まで冷却する。
本発明についての詳細な説明から、本願に示された本発明の思想から逸脱しないで、本願に記載された本発明を変更することが可能であることは、当業者には明らかである。従って、本発明の範囲は、示され記載された特定の実施例に限定されることを意図するものではない。

Claims (16)

  1. ｎ−型領域とｐ−型領域の間に設置された発光層、および成長基板を有する半導体発光装置、ならびに
    前記発光層によって放射される光の光路に設置された、セラミック厚板の形態の第１のセラミック層、
    を有する構造であって、
    前記第１のセラミック層は、波長変換材料を有し、
    前記第１のセラミック層および前記成長基板は、焼結された複合材を構成することを特徴とする構造。
  2. 前記第１のセラミック層は、蛍光体粒子の硬質凝集体を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  3. 前記第１のセラミック層は、実質的に結合材を含まないことを特徴とする請求項２に記載の構造。
  4. さらに、前記成長基板と前記第１のセラミック層との間に界面を有し、該界面は、室温を超える温度および大気圧を超える圧力で、前記半導体発光装置と、前記第１のセラミック層とを相互に圧縮することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  5. 前記第１のセラミック層の表面は、レンズを有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  6. 前記第１のセラミック層の表面は、ドームを有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  7. 前記第１のセラミック層の表面は、フレネルレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  8. 前記第１のセラミック層の表面は、フォトニック結晶構造を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  9. 前記第１のセラミック層の表面は、構造化されていることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  10. 前記第１のセラミック層は、ドーパントがドープされた蛍光体を有し、ドーパントの濃度は傾斜化されていることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  11. 前記濃度は、前記第１のセラミック層の第１の部分での第１の濃度から、前記第１のセラミック層の第２の部分での第２の濃度まで傾斜化され、前記第１の濃度は、前記第２の濃度よりも高く、
    前記第１の部分は、前記第２の部分よりも前記半導体発光装置に近いことを特徴とする請求項１０に記載の構造。
  12. さらに、前記発光層によって放射される光の光路に設置された、第２のセラミック層を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  13. 前記第１のセラミック層は、第１の波長変換材料を有し、
    前記第２のセラミック層は、第２の波長変換材料を有することを特徴とする請求項１２に記載の構造。
  14. 前記第１のセラミック層は、波長変換材料を有し、
    前記第２のセラミック層は、波長変換材料を有さないことを特徴とする請求項１２に記載の構造。
  15. 前記第１および第２のセラミック層のうち一つの表面の表面積は、前記半導体発光装置の、該装置から光が抽出される表面の表面積よりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の構造。
  16. 前記波長変換材料は、（Ｌｕ１−ｘ−ｙ−ａ−ｂＹｘＧｄｙ）３（Ａｌ１−ｚＧａｚ）５Ｏ１２：ＣｅａＰｒｂ、ただし０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、０＜ｂ≦０．１；Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋；およびＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋；のうちの一つを有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
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