JP2013501374A - 誘電体コーティングを用いる高出力ｌｅｄ装置アーキテクチャおよび製造方法 - Google Patents
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Abstract
改善されたＬＥＤ装置が開示され、かつこの装置には、エネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、活性層を支持するように構成された基板と、基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、０〜９０度の入射角度に対して、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、コーティング層に施され少なくとも１つの金属層であって、それを通して、第２の波長領域における第２の電磁信号を透過させるように構成された金属層と、活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、が含まれる。
Description
発光ダイオード（以下ではＬＥＤ）は、ＵＶ、可視および赤外線波長における比較的強力な発光出力を有する電子光源である。現在、これらの装置には、白熱光源などの従来の照明方法に勝る多くの利点が存在する。ＬＥＤ装置の例示的な利点には、エネルギ消費の低下、寿命の延長、ロバスト性の改善、小型化、およびより迅速なスイッチングが含まれる。赤色、緑色および青色ＬＥＤが、長年にわたって普及し、現在では、展示照明、生物医学蛍光装置、および広範囲な商業用途を含む多数の用途で用いられている。最近、新しい高出力白色ＬＥＤの使用が、著しく伸びた。これらの白色光ＬＥＤ用の一般的な用途には、建築用途、自動車用途、および他の照明用途が含まれる。他の照明光源と競合できるように、白色光ＬＥＤは、最適な効率を達成しなければならない。理想的には、高出力ＬＥＤ（以下ではＨＰＬＥＤ）製造業者は、約１５０Ｌ／Ｗ以上の効率を有する白色光ＬＥＤを提供することを望んでいる。
白色ＬＥＤは、一般に、青色ＬＥＤの構造を変更することによって作製される。青色ＬＥＤは、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）などの広バンドギャップ半導体エピタキシャル材料から製造される。蛍光発光を用いることによって、ＬＥＤの青色スペクトル出力は、カプセル材料への青色光子の吸収により白色光に変換され、続いて、カプセル材料が、白色を蛍光発光する。図１〜３は、典型的な白色光ＬＥＤの断面図を示す。図示のように、ＬＥＤ装置１には、基板５上に配置された少なくとも１つの発光活性層３が含まれる。例示的な基板には、典型的に、シリカ基板およびサファイア基板と同様に他の材料が含まれる。反射金属層７が、基板５の表面に施される。さらに、ドープされたカプセル化デバイス９が、この構造に施され、それによって、発光活性層３を構造内に密閉する。典型的なドーピング材料には、特定の波長で照らされた場合に白色光を発生するために蛍光発光するように構成された蛍光体および他の材料が含まれる。例えば、蛍光体は、約４５０ｎｍの波長を有する光１１で照らされた場合に蛍光発光するように構成してもよい。
図２に示すように、ＬＥＤ装置１の青色スペクトル出力は、多方向である。結果として蛍光発光をもたらすことができる波長を有するある電磁放射線１１ａが、ドープされたカプセル化デバイス９へ直接放射され、それによって、ドーピング材料に、一般に白色光を蛍光発光させる。さらに、発光活性層３の多方向出力ゆえに、後方放射光１１ｂは、基板５に施された金属層７によって反射されて、カプセル化デバイス９に向かう。この反射出力１３ｂもまた、カプセル化デバイス９のドーピング材料を蛍光発光させることに帰着する。金属層７は、ＬＥＤ装置１の出力を増加させることに多少役立つが、多くの欠点が確認された。例えば、金属層７は、カプセル化デバイス９におけるドーピング材料を蛍光発光させることができる入射光の約８５％〜９０％を反射し得る。そのようなものとして、これらのＬＥＤ装置１の効率（例えばＬ／Ｗ）は、最適ではない。理想的には、金属層７は、ドーピング材料の蛍光発光を達成する波長において１００％に迫る反射率を有することになろうが、これは、今まで達成不可能だった。上記のように、現在利用可能な装置には、入射光の約８５％〜約９０％を反射できるアルミニウム層７が含まれる。さらに、図２に示すように、後方放射光１１ｃのいくらかは、様々な角度で反射アルミニウム層７に入射する可能性がある。理想的には、反射層７は、全ての可能な入射角度において、後方放射光１１ｃのほぼ１００％を反射し、それによって、反射された、角度のある後方放射光１３ｃをカプセル化デバイス９に向け、かつ装置効率を向上させることができることになろう。残念にも、現在の技術の金属反射層７は、かかる極端な角度において追加的な反射損失をこうむり、さらに弱いＬＥＤ光出力に帰着する。
後方放射光を反射することに加えて、金属反射材料７はまた、装置の熱特性を向上させるためにヒートシンクとして動作してもよい。例えば、反射材料７は、アルミニウムを含んでもよく、かつ基板５から取り付け構造（図示せず）への効率的な熱伝達を可能にするように構成してもよい。例えば、図３に示すように、望ましくない赤外線１５は、電荷が発光活性層３に印加された場合に、発光活性層３によって発生される可能性がある。一実施形態において、基板５は、それを通して熱を放散するように構成される。かかるものとして、基板５は、ヒートシンクを形成してもよい。さらに、基板５に施された反射層７もまた、それを通して熱を伝達するように構成してもよい。しかしながら、少なくともいくらかの赤外線１５は、反射材料７によって、または基板−反射材料界面において反射される可能性がある。例えば、いくつかの用途において、赤外線１５の約２０％は、反射層７または基板−反射層界面によって発光活性層３へ反射される可能性がある。この反射赤外線１７は、結果としてＬＥＤ装置１の性能劣化をもたらす可能性がある。深刻な場合には、反射赤外線１７は、過度の加熱ゆえに、ＬＥＤ装置１の壊滅的な障害をもたらす可能性がある。
したがって、上記のことに鑑み、現在利用可能であるよりも高い効率を提供する高出力ＬＥＤ装置の現在進行中の必要性がある。
本出願は、改善されたＬＥＤ装置アーキテクチャの様々な実施形態およびその様々な製造方法を開示した。先行技術装置と異なり、本明細書で開示する装置アーキテクチャには、装置の効率および輝度を改善するように構成され、基板に施された少なくとも１つのコーティング層が含まれる。
より具体的には、一実施形態において、改善されたＬＥＤ装置が開示され、この装置には、エネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、活性層を支持するように構成された基板と、基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、が含まれる。
別の実施形態において、改善されたＬＥＤ装置が開示され、この装置には、エネルギ源と通じている少なくとも１つの活性層であって、第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、活性層を支持するように構成された基板と、基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、約０度〜約９０度の全ての角度において、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、任意選択で、コーティング層に印加された第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成され、かつコーティング層を通して第２の波長領域における第２の電磁信号を透過させるように構成されたコーティング層と、活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、が含まれる。
別の実施形態において、本出願は、ＬＥＤ装置の製造方法を開示し、かつ電荷にさらされた場合に、第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を基板上に成長させることと、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成された少なくとも１つのコーティング層を基板の表面に施すことと、少なくとも活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、を含む。
別の実施形態において、本出願は、ＬＥＤ装置の製造方法を開示し、かつ電荷にさらされた場合に、第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を基板上に成長させることと、第１の波長領域における第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ第２の波長領域における第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成された少なくとも１つのコーティング層を基板の表面に施すことと、少なくとも１つの金属層をコーティング層に施すことと、少なくとも１つの活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、を含む。
本明細書で開示するような改善されたＬＥＤ装置アーキテクチャの実施形態における他の特徴および利点は、以下の詳細な説明の考察から明らかになろう。
様々な改善された性能のＬＥＤ装置アーキテクチャを、添付の図面を介して、より詳細に説明する。
図４は、高出力ＬＥＤ装置の実施形態の断面図を示す。図示のように、改善されたＬＥＤ装置２０には、少なくとも１つの基板２４上にまたはそれに隣接して配置された少なくとも１つの活性層２２が含まれる。一実施形態において、活性層２２には、発光活性層が含まれる。任意選択で、単一の発光活性層２２を基板２４上に配置してもよい。任意選択で、任意の数の活性層２２を基板２４上に配置してもよい。かかるものとして、活性層２２には、多重量子井戸デバイスまたは構造を含んでもよい。活性層２２が、少なくとも１つのエネルギ源と通じていてもよく、したがって少なくとも１つの電気信号を活性層２２に供給するように構成された少なくとも１つの電気接続装置（図示せず）を含んでもよいことに留意されたい。さらに、一実施形態において、基板２４には、炭化ケイ素基板が含まれる。任意選択で、任意の様々な材料を用いて基板２４を形成してもよい。例示的な基板材料には、限定するわけではないが、シリカ、サファイア、様々な複合材料などが含まれる。さらに、基板２４は、それをほぼ全ての電磁放射線が透過するように構成してもよい。
図４を再び参照すると、先行技術装置のように、本ＬＥＤ装置２０には、それに施された少なくとも１つの金属層または結合材料２８（以下では金属層および結合材料は区別しないで用いられる場合がある）を含んでもよい。一実施形態において、金属層には、アルミニウムが含まれる。代替実施形態において、金属層２８には、ＬＥＤを材料基板に結合できるように構成された熱ペーストまたは同様の結合材料が含まれる。例示的な材料基板には、限定するわけではないが、プリント回路板などが含まれる。先行技術装置のように、金属層または結合材料２８は、活性層２２に隣接して配置された、少なくとも１つのドープされたカプセル化デバイス３０へ後方放射電磁放射線を反射し、一方でＬＥＤ装置２０からの効果的な熱除去を支援するように構成される。しかしながら、先行技術装置と異なり、本出願で開示する改善されたＬＥＤ装置２０には、基板２４の表面に施された少なくとも１つのコーティング層２６が含まれる。一実施形態において、金属層または結合材料２８は、基板２４に配置されたコーティング層２６に施してもよい。本出願で開示する改善されたＬＥＤ装置２０上へのコーティング層２６の包含は、全ての可能な入射角度０度〜９０度において、基板２４内のほぼ全ての光の最適な光反射率を達成し、それによって、ＬＥＤ装置２０の出力を向上させるように構成される。
任意選択で、コーティング層２６は、基板２４、金属層もしくは結合材料２８、または両方の任意の表面に施してもよく、それらの間に配置する必要はない。例えば、図５は、コーティング層２６を活性層２２に隣接して配置したＬＥＤ構成を示す。対照的に、図６は、第１のコーティング層２６を活性層２２に隣接して配置し、かつ第２のコーティング層２６を基板２４および金属層２８に隣接して配置したＬＥＤ構成を示す。図５および６を参照すると、コーティング層２６を活性層２２に隣接して配置することによって、内部基板の光散乱および光パイピングによる光損失（ＬＥＤチップエッジを介した損失）を除去することによりＬＥＤ照明を向上させることが可能になる。その結果、本実施形態は、活性層２２によって発生された所望のＵＶまたは可視光を、活性層２２を通して効率的に反射し、一方でより長い波長の有害な赤外線を、基板２４に透過させて、任意選択の金属層２８および／またはそれに結合されたヒートシンクを介して最終的には除去されるようにすることによって、先行技術装置に勝る性能の改善をもたらす。一実施形態において、コーティング層２６を施すためのこの方法によって、ほぼ水分を吸収しない、安定し、硬質で、高密度で、無孔の非晶質コーティングが生成されるが、このコーティングは、別の方法では、装置品質、寿命および性能に関して妥協することになる可能性がある。
再び図４を参照すると、コーティング層２６は、任意の様々なまたは任意の数の材料で構成してもよい。例えば、一実施形態において、コーティング層２６には、高い屈折率（以下では「高屈折率」）を有する材料、および低い屈折率（以下では「低屈折率」）を有する材料の交互層が含まれる。任意選択で、コーティング層２６には、１つまたは複数の誘電体材料を含んでもよい。例示的な高屈折率材料には、限定するわけではないが、Ｔａ2Ｏ5、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5などが含まれる。例示的な低屈折率材料には、限定するわけではないが、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などが含まれる。例えば、一実施形態において、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも９０％を反射するように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９５％を反射するように構成してもよい。さらに別の実施形態において、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９８％を反射するように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての角度において、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９９％を反射するように構成してもよい。かかるものとして、コーティング層２６は、約０度〜約９０度の全ての入射角度において、任意の所望の波長帯域の反射を最適化するように構成してもよい。当業者は、コーティング層２６が、任意の様々な所望の波長領域内で、約０度〜約９０度の全ての角度において、電磁放射線の少なくとも約９５％を選択的に反射するように構成可能であることを理解されよう。
反射アルミニウム層２８の反射率を向上させることに加えて、いくつかの実施形態において、ＬＥＤ装置２０からの熱抽出を最大限にし、それによって、熱関連障害の可能性を低減することが望ましいであろう。かかる改善された熱管理はまた、ＬＥＤ装置２０に印加できる電力量の増加を可能にし、輝度のさらなる増加につながる。使用中に活性層２２によって発生された熱は、基板２４を通って最終的には金属層２８により吸収および放散されるように導いてもよい。上記のように、コーティング層２６には、低屈折率材料および高屈折率材料の交互薄膜を含んでもよい。かかる薄膜は、それぞれ、約５ｎｍ〜約１０００ｎｍに及ぶ物理的厚さであってもよい。一実施形態において、低屈折率材料および高屈折率材料の連続は、反射率を最適化するように構成される。さらに別の実施形態において、光学コーティング層２６は、同様に、高熱伝導性の薄膜材料を用いることによって、反射率、およびコーティング層２６を通した熱伝達を最適化するように構成される。さらに別の実施形態において、光学コーティング層２６は、同様に、標準的アルミニウムではなく高熱伝導性の銅または銅合金ヒートシンクの使用と共に高熱伝導性の薄膜材料を用いることによって、反射率、およびコーティング層２６を通した熱伝達を最適化するように構成される。
任意選択で、コーティング層２６は、第１の波長領域のほぼ全ての光を反射し、一方でコーティング層２６を通して第２の波長領域のほぼ全ての光を透過させるように構成してもよい。例えば、一実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも９０％を反射し、一方で約７５０ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９０％を透過させるように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９５％を反射し、一方で約５００ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９５％を透過させるように構成してもよい。さらに別の実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９８％を反射し、一方で約７５０ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９８％を透過させるように構成してもよい。別の実施形態において、コーティング層２６は、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長を有する電磁放射線の少なくとも約９９％を反射し、一方で約７５０ｎｍより大きな波長を有する電磁放射線の少なくとも９９％を透過させるように構成してもよい。かかるものとして、コーティング層２６は、カプセル化デバイス３０におけるドーピング材料の蛍光発光を改善するために、所望の第１の波長の反射を最適化し、一方で基板−金属層界面において第２の波長の電磁放射線（例えば赤外線）の後方反射を低減し、それによって、金属層２８を通る熱伝達を改善するように構成してもよい。あるいは、コーティング層２６によってもたらされたルーメン出力の増加によって、ＬＥＤは、より低い印加電力で動作させることが可能になり、これは、続いて熱を低減し、それによって装置寿命を延長させ、一方で恐らくより低い製造コスト（例えば、金属層の可能な除去、および熱ペーストを用いたＬＥＤチップの直接接合）につながることに留意されたい。
図１１は、装置の改善された性能特性をグラフで示す。全ての所望のＬＥＤ発光波長（４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ領域内など）に関し、図４に示す光学コーティング２６の反射性能４０は、全ての入射角度０〜９０度に対して９９％超を達成する。図１１に示すように、先行技術装置の反射性能４２は、典型的には９０％未満で、それは、角度と共により悪くなる。
図４に示すように、少なくとも１つのカプセル化デバイス３０を、改善されたＬＥＤ装置２０に配置してもよい。カプセル化デバイス３０は、それ自体に任意の様々なドーパントまたはドーピング材料を含んでもよい。例えば、一実施形態において、カプセル化デバイス３０には、約４００ｎｍ〜約５２５ｎｍの波長領域を有する電磁放射線で照射された場合に、白色光を蛍光発光するように構成された蛍光体が含まれる。別の実施形態において、カプセル化デバイスには、活性層２２によって放射された任意の波長の電磁放射線で照らされた場合に、蛍光発光して任意の様々な波長の光を放射するように構成された１つまたは複数のドーピング材料が含まれる。任意選択で、複数のドーピング材料を同時に用いてもよい。カプセル化デバイス３０は、任意の様々な方法で形成してもよい。例えば、一実施形態において、カプセル化デバイス３０には、流体として活性層２２に施されるエポキシ材料が含まれる。別の実施形態において、カプセル化デバイス３０には、活性層２２に接合されるかまたは別の方法で固定される物理構造を含んでもよい。例えば、一実施形態において、カプセル化デバイス３０は、光学レンズを形成してもよい。例示的な光学レンズには、限定するわけではないが、凹レンズ、凸レンズ、フレネルレンズなどが含まれる。一実施形態において、カプセル化デバイス３０は、改善されたＬＥＤ装置２０に密閉関係で結合するように構成される。例えば、カプセル化デバイス３０は、気密密閉関係で、改善されたＬＥＤ装置２０に結合してもよい。
図７および図９は、使用中の改善されたＬＥＤ装置２０における実施形態の断面図を示し、一方で図８および図１０は、図示の装置の改善された性能特性をグラフで示す。図７および図９に示すように、活性層２２は、複数の波長または複数の波長領域で電磁放射線を放射し得る。例えば、図示の実施形態において、活性層２２は、約４３０ｎｍ〜約４７０ｎｍ（可視青色光）の第１の波長領域における第１の電磁信号３４、および約７５０ｎｍより大きな第２の波長領域における第２の電磁信号３８を放射する。一実施形態において、第１の電磁信号３４の波長は、カプセル化デバイス３０におけるドーピング材料を蛍光発光させるように構成される。図示の実施形態において、第１および第２の電磁信号３４、３８は、同時に放射されるが、当業者は、電磁信号を連続して放射してもよいことを理解されよう。
図７を参照すると、活性層２２は、第１の電磁信号３４の少なくとも一部を全方向に放射するように構成してもよい。かかるものとして、第１の電磁信号３４の一部は、改善されたＬＥＤ装置２０に結合されたカプセル化デバイス３０に向けられ、それによって、カプセル化デバイスにおけるドーピング材料の蛍光発光をもたらす。さらに、図７に示すように、第１の電磁信号３４の少なくとも一部は、基板２４を通ってコーティング層２６へ放射される。上記のように、コーティング層２６は、選択された波長領域内のほぼ全ての光を反射し、一方で選択された波長領域外のほぼ全ての光を、コーティング層２６を通して透過させるように構成される。図示の実施形態において、コーティング層２６は、約４２５ｎｍ〜約４７５ｎｍの波長領域内の入射電磁放射線の少なくとも９８％を反射するように構成される。かかるものとして、コーティング層２６に入射する第１の信号３４のほぼ全ては、コーティング層２６によって反射され、反射された第１の電磁信号３６を生成する。反射信号３６は、基板２４および活性層２４を横断し、カプセル化デバイス３０に入射し、そこに含まれるドーピング材料の蛍光発光をもたらす。先行技術装置、すなわち、そこに入射する電磁信号の約８５％を反射できるアルミニウム、銀、銅または他の金属層を含んだ先行技術装置と異なり、本明細書で説明する改善されたＬＥＤ装置のコーティング層２６は、全ての可能な角度において、第１の電磁信号３４のほぼ全て（すなわち、約９８％超）を反射するように構成され、それによって、装置の輝度を非常に改善する。図８は、現在の技術装置の典型的な８５％〜９０％の反射率４２と比較して、第１の電磁信号３４において、コーティング層２６を含むことによって可能になる改善された反射率４０（典型的には、青色／白色ＬＥＤに対し、臨界波長領域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍで９９．９％超）をグラフで示す。
図９に示すように、第２の電磁信号３８もまた、全方向に放射してもよい。第２の電磁信号３８の少なくとも一部は、基板２４を横断し、コーティング層２６に入射する。上記のように、コーティング層２６は、約７５０ｎｍより大きな波長領域を有する第２の電磁信号３８のほぼ全て（すなわち９８％超）を透過させるように構成してもよい。かかるものとして、コーティング層２６は、そこに入射する、活性層２２によって発生されたほぼ全ての赤外線を金属層２８へ透過させるように構成してもよい（金属層２８は、続いて赤外線熱を吸収し放散する）。かかるものとして、改善されたＬＥＤ装置は、そこから赤外線（すなわち熱）をより効率的に除去するように構成され、それによって、現在利用可能であるよりも熱効率のよいＬＥＤ装置を提供する。あるいは、コーティング層２６によってもたらされるルーメン出力の向上によって、より低い印加電力でＬＥＤを動作させることが可能になり、それが、続いて熱を低減し、それによって装置寿命を延長させることが注目される。図１０は、例えばＳｉＣ基板を有する現在のＬＥＤ装置の典型的な望ましくない高赤外線の後方反射性能４６と共に、改善されたＬＥＤ装置２０の最適化された赤外線反射防止性能４４（典型的には、７５０ｎｍ〜１２００ｎｍにおいて０．５％未満の平均反射率）をグラフで示す。
実施例
上記のアーキテクチャを用いる例示的な装置が、試験用に製造された。多層誘電体光学コーティング２６を２インチ直径のサファイア基板２４の裏面全体に直接均一に施した装置が、図４に示すように製造されたが、このサファイア基板２４において、その上面に個別のＬＥＤ多層半導体素子２２がエピタキシャルに成長された（個別ダイサイズは約１．０ｍｍ平方未満だった）。光学コーティング２６は、カプセル化デバイス３０が施される前に施された。ハイブリッドスパッタリング光学コーティングプロセスを用いて、結果として得られる所望のスペクトル性能（選択された可視波長帯域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の最大光学反射および７５０ｎｍ〜１２００ｎｍ領域における最大熱伝達）を最適化するために選択された物理的厚さを有する、交互になった高および低屈折率薄膜を堆積した。より具体的には、耐熱金属酸化物の酸化チタン合金が、高屈折率材料用に用いられ、二酸化ケイ素が、低屈折率材料として用いられた。代表的な多層光学コーティングは、以下のとおりである（この場合には、サファイア基板が用いられた）。
上記のアーキテクチャを用いる例示的な装置が、試験用に製造された。多層誘電体光学コーティング２６を２インチ直径のサファイア基板２４の裏面全体に直接均一に施した装置が、図４に示すように製造されたが、このサファイア基板２４において、その上面に個別のＬＥＤ多層半導体素子２２がエピタキシャルに成長された（個別ダイサイズは約１．０ｍｍ平方未満だった）。光学コーティング２６は、カプセル化デバイス３０が施される前に施された。ハイブリッドスパッタリング光学コーティングプロセスを用いて、結果として得られる所望のスペクトル性能（選択された可視波長帯域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の最大光学反射および７５０ｎｍ〜１２００ｎｍ領域における最大熱伝達）を最適化するために選択された物理的厚さを有する、交互になった高および低屈折率薄膜を堆積した。より具体的には、耐熱金属酸化物の酸化チタン合金が、高屈折率材料用に用いられ、二酸化ケイ素が、低屈折率材料として用いられた。代表的な多層光学コーティングは、以下のとおりである（この場合には、サファイア基板が用いられた）。
エピタキシャル半導体ＬＥＤ層／サファイア基板／３０．３２Ｈ ６８．９７Ｌ ２８．２８Ｈ （２１．２６Ｈ ７６．２９Ｌ ２１．２６Ｈ）５ １７．５３Ｈ ２００．８４Ｌ
ここで記号ＬおよびＨは、Ｌ（低屈折率）およびＨ（高屈折率）薄膜の物理的厚さを（ｎｍで）示す。代表的な反射性能スペクトルを図８および図１０に示す。
ここで記号ＬおよびＨは、Ｌ（低屈折率）およびＨ（高屈折率）薄膜の物理的厚さを（ｎｍで）示す。代表的な反射性能スペクトルを図８および図１０に示す。
図４に示すように、熱放散金属層２８（例えばアルミニウム）が、続いて、当該技術分野において周知の堆積技術を用いて、光学的不透明を達成する厚さ（典型的には５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さ）に堆積された。例えば、金属層２８は、熱蒸着技術、スパッタリング法、または当該技術分野において一般に周知の他の技術を用いて施してもよい。任意選択で、金属層は省略してもよく、高熱伝導性ペーストを直接使用することによる放熱が利用可能である。次に、最終的なコーティングされたウエハは、個別の素子にダイスカットされ、所要のワイヤボンドで適切なアセンブリに実装され、かつ選択されたエポキシでカプセル化される。
図１１は、装置の改善された性能特性をグラフで示す。全ての所望のＬＥＤ発光波長（４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ領域内など）に対して、本発明の光学コーティング２６（図４）の反射性能４０は、全ての入射角度０〜９０度に対して９９％超を達成する。図８に示すように、先行技術装置の反射性能４２は、典型的には９０％未満（図３の層７）であり、それは、角度と共に悪くなる。
図７に示すように、反射された電磁信号３６は、基板２４および発光層２２を横断し、カプセル化デバイス３０に入射し、結果として、そこに含まれるドーピング材料の蛍光発光をもたらす。先行技術装置、すなわち、そこに入射する電磁信号の約８９％未満を反射できるアルミニウム層を含んだ先行技術装置と異なり、本明細書で説明する改善されたＬＥＤ装置２０のコーティング層２６は、０〜９０度の全ての角度において、電磁信号３４のほぼ全て（すなわち、約９９％超）を反射するように構成され、それによって、装置の輝度を非常に改善する。
実施例２
本明細書で説明するアーキテクチャを用いる例示的な装置が、試験用に製造された。この実施形態において、図４に示すように、多層誘電体光学コーティング２６が、２インチ直径のサファイア基板２４の裏面全体に直接均一に施されたが、このサファイア基板２４において、その上面に個別のＬＥＤ多層半導体素子２２がエピタキシャルに成長された（個別ダイサイズは約１．０ｍｍ平方未満だった）。この場合に、ＬＥＤは、波長領域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の青色光を放射する。光学コーティング２６は、カプセル化デバイス３０が施される前に施された。結果として得られる所望のスペクトル性能（選択された可視波長帯域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の最大光学反射）を最適化するために選択された物理的厚さを有する、交互になった高および低屈折率薄膜が堆積された。この特定の場合に、酸化チタン合金が、高屈折率材料用に用いられ、二酸化ケイ素が、低屈折率材料として用いられた。代表的な多層光学コーティングは以下のとおりである。
本明細書で説明するアーキテクチャを用いる例示的な装置が、試験用に製造された。この実施形態において、図４に示すように、多層誘電体光学コーティング２６が、２インチ直径のサファイア基板２４の裏面全体に直接均一に施されたが、このサファイア基板２４において、その上面に個別のＬＥＤ多層半導体素子２２がエピタキシャルに成長された（個別ダイサイズは約１．０ｍｍ平方未満だった）。この場合に、ＬＥＤは、波長領域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の青色光を放射する。光学コーティング２６は、カプセル化デバイス３０が施される前に施された。結果として得られる所望のスペクトル性能（選択された可視波長帯域４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ内の最大光学反射）を最適化するために選択された物理的厚さを有する、交互になった高および低屈折率薄膜が堆積された。この特定の場合に、酸化チタン合金が、高屈折率材料用に用いられ、二酸化ケイ素が、低屈折率材料として用いられた。代表的な多層光学コーティングは以下のとおりである。
エピタキシャル半導体ＬＥＤ層／サファイア基板／３４．８６Ｈ ７５．９２Ｌ ３２．５２Ｈ （２４．４５Ｈ ８３．９８Ｌ ２４．４５Ｈ）９ （２６．８９Ｈ ９２．３８Ｌ ２６．８９Ｈ）９ ２０．１６Ｈ ２２１．０８Ｌ
ここで記号ＬおよびＨは、Ｌ（低屈折率）およびＨ（高屈折率）薄膜の物理的厚さを（ｎｍで）を示す。角度に応じた代表的な反射性能スペクトルは、図１２（４４０ｎｍ）、図１３（４５０ｎｍ）および図１４（４６０ｎｍ）に示す。
ここで記号ＬおよびＨは、Ｌ（低屈折率）およびＨ（高屈折率）薄膜の物理的厚さを（ｎｍで）を示す。角度に応じた代表的な反射性能スペクトルは、図１２（４４０ｎｍ）、図１３（４５０ｎｍ）および図１４（４６０ｎｍ）に示す。
図４に示すように、アルミニウムの熱放散層２８が、続いて、光学的不透明を達成する厚さ（典型的には５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さ）に堆積された。再び、金属膜は、任意選択で省略してもよい（ダイは、高熱伝導性ペーストを用いることによって最終アセンブリに接合される）。次に、最終的なコーティングされたウエハは、個別の素子にダイスカットされ、所要のワイヤボンドで適切なアセンブリに実装され、かつ選択されたエポキシでカプセル化される。
特定の形態の実施形態を図示し説明したが、本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱せずに、様々な修正をなしえることは明らかであろう。
Claims (42)
- 改善されたＬＥＤ装置であって、
エネルギ源と通じた、かつ第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、
前記活性層を支持するように構成された基板と、
前記基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、前記第１の波長領域における前記第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ前記第２の波長領域における前記第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、
前記活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、
を含む装置。 - 前記活性層が、多重量子井戸デバイスを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記基板がサファイアを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記基板がシリカを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記基板が炭化ケイ素を含む、請求項１に記載の装置。
- 前記コーティング層が、高屈折率を有する材料および低屈折率を有する材料の交互層を含む、請求項１に記載の装置。
- 前記高屈折率材料が、Ｔａ2Ｏ5、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2およびＮｂ2Ｏ5からなる群から選択される、請求項６に記載の装置。
- 前記低屈折率材料がＳｉＯ2を含む、請求項６に記載の装置。
- 前記低屈折率材料がＡｌ2Ｏ3を含む、請求項６に記載の装置。
- 前記コーティング層が、ＴｉＯ2およびＳｉＯ2の交互層を含む、請求項１に記載の装置。
- 前記第１の波長領域が、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍである、請求項１に記載の装置。
- 前記第２の波長が約５００ｎｍより大きい、請求項１に記載の装置。
- 前記活性層と前記基板との間に配置された第１のコーティング層と、
前記基板の反対面に施された少なくとも第２のコーティング層と、
前記第２のコーティング層に施された金属層と、
をさらに含む、請求項１に記載の装置。 - 前記コーティング層に施された金属層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 前記金属層がアルミニウムを含む、請求項１４に記載の装置。
- 前記金属層が銅を含む、請求項１４に記載の装置。
- 前記コーティング層と、前記ＬＥＤ装置を材料構造に結合するように構成された支持構造との間に配置された結合材料をさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 前記カプセル化デバイスが、その中に少なくとも１つのドーパントを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記ドーパントが、前記第１の波長領域内の前記第１の電磁信号で照らされた場合に蛍光発光するように構成される、請求項１８に記載の装置。
- 前記ドーパントが蛍光体を含む、請求項１８に記載の装置。
- 改善されたＬＥＤ装置であって、
エネルギ源と通じた、かつ第１の波長領域内の第１の電磁信号、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁信号を放射するように構成された少なくとも１つの活性層と、
前記活性層を支持するように構成された基板と、
前記基板の表面に施された少なくとも１つのコーティング層であって、約０度〜約９０度の全ての角度において、前記第１の波長領域における前記第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ前記第２の波長領域における前記第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成されたコーティング層と、
前記コーティング層に施された、かつそれを通して、前記第２の波長における前記第２の電磁信号を透過させるように構成された少なくとも１つの金属層と、
前記活性層をカプセル化するために配置されたカプセル化デバイスと、
を含む装置。 - 前記活性層が多重量子井戸デバイスを含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記基板がサファイアを含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記基板がシリカを含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記コーティング層が、高屈折率を有する材料および低屈折率を有する材料の交互層を含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記高屈折率材料が、Ｔａ2Ｏ5、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2およびＮｂ2Ｏ5からなる群から選択される、請求項２５に記載の装置。
- 前記低屈折率材料がＳｉＯ2を含む、請求項２５に記載の装置。
- 前記低屈折率材料がＡｌ2Ｏ3を含む、請求項２５に記載の装置。
- 前記コーティング層が、ＴｉＯ2およびＳｉＯ2の交互層を含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記第１の波長領域が、約４３０ｎｍ〜約５００ｎｍである、請求項２１に記載の装置。
- 前記第２の波長が約５００ｎｍより大きい、請求項２１に記載の装置。
- 前記活性層と前記基板との間に配置された第１のコーティング層、および基板と前記金属層との間に配置された少なくとも第２のコーティング層をさらに含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記金属層がアルミニウムを含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記金属層が銅を含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記カプセル化デバイスが、その中に少なくとも１つのドーパントを含む、請求項２１に記載の装置。
- 前記ドーパントが、前記第１の波長領域内の前記第１の電磁信号で照らされた場合に蛍光発光するように構成される、請求項３５に記載の装置。
- 前記ドーパントが蛍光体を含む、請求項３５に記載の装置。
- ＬＥＤ装置の製造方法であって、
電荷にさらされた場合に、第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を基板上に成長させることと、
前記第１の波長領域における前記第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ前記第２の波長領域における前記第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成された少なくとも１つのコーティング層を前記基板の表面に施すことと、
少なくとも前記活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、
を含む方法。 - 高屈折率材料および低屈折率材料の交互層を前記基板に施すことによって、前記コーティング層を形成することをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
- ＬＥＤ装置の製造方法であって、
電荷にさらされた場合に、第１の波長領域内の電磁放射線、および少なくとも第２の波長領域内の少なくとも第２の電磁放射線を放射できるエピタキシャル層を基板上に成長させることと、
前記第１の波長領域における前記第１の電磁信号の少なくとも９５％を反射し、かつ前記第２の波長領域における前記第２の電磁信号の少なくとも９５％を透過させるように構成された少なくとも１つのコーティング層を前記基板の表面に施すことと、
少なくとも１つの金属層を前記コーティング層に施すことと、
少なくとも前記活性層をカプセル化デバイス内にカプセル化することと、
を含む方法。 - 高屈折率材料および低屈折率材料の交互層を前記基板に施すことによって、前記コーティング層を形成することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
- 前記基板上に第１のコーティング層を施し、その後その上に前記エピタキシャル層を成長させることと、前記金属層を受ける前記基板の反対面に第２のコーティング層を施すことと、をさらに含む、請求項４３に記載の方法。
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