JP2013520004A - 成形波長変換層を備える発光装置 - Google Patents
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Abstract
波長変換材料１４を含む可撓性フィルム１４、１６が、光源の上に位置付けられる。前記可撓性フィルムは、所定の形状に適合される。幾つかの実施例において、前記光源は、支持基板１２に取り付けられる発光ダイオード１０である。前記ダイオードは、前記可撓性フィルムが、前記支持基板と前記鋳型との間に配置されるように、鋳型２０のくぼみと位置合わせされる。前記支持基板と前記鋳型との間には透明な成形材料が配置される。前記支持基板と前記鋳型とは、前記成形材料を前記くぼみに充填させるよう押し付けられる。前記可撓性フィルムは、前記光源又は前記鋳型の形状に適合する。
Description
本発明は、波長変換光放射装置に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）及び端面発光レーザを含む半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度発光装置の製造において現在興味深い材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、とりわけ、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の、二元、三元及び四元合金を含む。一般に、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属気相成長法 （ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によって、サファイア、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物又は他の適切な基板上に、様々な組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックをエピタキシャルに成長させることによって、製造される。前記スタックは、多くの場合、基板の上に形成される例えばSiがドーピングされている１つ以上のｎ型層と、１つ又は複数のｎ型層の上に形成される活性領域内の１つ以上の発光層と、活性領域の上に形成される例えばMgがドーピングされている１つ以上のｐ型層とを含む。ｎ型領域及びｐ型領域において電気接点が形成される。
図１は、参照により本願明細書に盛り込まれるUS 7,352,011により詳細に記載されているＬＥＤを図示している。ＬＥＤ１０は、（図１には示されていない）支持構造物に取り付けられる。内部レンズ６４は、ＬＥＤ１０を覆うよう成形される。レンズ６４は、以下のように形成される。レンズ６４の形状の鋳型が、ＬＥＤ１０の上に位置付けられる。鋳型は、非粘着性フィルムで内側を覆われ得る。鋳型に、シリコーン又はエポキシなどの適切な透明熱硬化性液体レンズ材料が充填される。支持構造物の周囲と鋳型との間の真空封止がなされ、２つの部品が、各ＬＥＤチップ１０が液体レンズ材料に挿入され、レンズ材料が圧縮下にあるように、互いに押し付けられる。次いで、鋳型は、レンズ材料を硬化するために、しばらくの間、約摂氏１５０度（又は他の適切な温度）まで加熱される。次いで、支持構造物が、鋳型から分離される。（より深く、より広いくぼみを備える鋳型を用いる）別の成形ステップにおいて、内部レンズ６４のすぐ上に、任意の厚さの蛍光体／シリコーン外殻６６が形成される。蛍光体／シリコーン外殻６６の上には、ビームを更に成形する外部レンズ６８が、別の鋳型を用いて形成され得る。
本発明の目的は、光源の上で成形される可撓性フィルムの状態で波長変換材料を供給することである。幾つかの実施例において、前記波長変換材料の厚さは、厳しく制御され得る。
本発明の実施例においては、波長変換材料を含む可撓性フィルムが、光源の上に位置付けられる。前記可撓性フィルムは、所定の形状に適合させられる。幾つかの実施例において、前記光源は、支持基板に取り付けられる発光ダイオードである。前記ダイオードは、前記可撓性フィルムが、前記支持基板と鋳型との間に配置されるように、前記鋳型のくぼみと位置合わせされる。前記支持基板と前記鋳型との間には透明な成形材料が配置される。前記支持基板と前記鋳型とは、前記成形材料を前記くぼみに充填させるよう、押し付けられる。前記可撓性フィルムは、前記光源又は前記鋳型の形状に適合する。
図１に図示されている装置においては、３つの鋳型、透明な層６４を形成するための第１の鋳型と、蛍光体層６６を形成するための第２のより大きい鋳型と、透明な層６８を形成するための第３の更に大きい鋳型とが用いられる。蛍光体層６６の厚さは、装置によって放射される光の色温度などの特性を決定する。蛍光体層６６の厚さは、蛍光体鋳型の位置合わせにおけるばらつきに基づいて、変化し得る。これは、放射される光の特性を望ましくなく変化させ得る、例えば、蛍光体層６６は、100μmの範囲内の厚さであり得る。蛍光体鋳型の鋳型位置合わせ許容誤差は、30乃至50μmの範囲内であり得る。蛍光体の目標厚さに比べて高い鋳型位置合わせ許容誤差は、装置から放射される光の色点を望ましくなく移動する蛍光体の厚さのばらつきをもたらし得る。
本発明の実施例においては、波長変換材料は、半導体発光装置などの光源の上で成形される可撓性フィルムの形にされる。フィルムは、蛍光体が充填される、シリコーンなどの完全に又は部分的に硬化される透明な材料であり得る。波長変換フィルムは、成形処理とは別に形成されてもよく、これは、波長変換フィルムの厚さの厳しい制御、並びに成形の前のフィルムの特性のテスト及び検査を可能にする。本発明による成形及び他の処理ステップは、US 7,352,011に記載されているように実施され得る。幾つかの実施例において、波長変換可撓性フィルムは、例えば、蛍光体及びシリコーンの混合物を支持フィルム上に広げ、次いで、シリコーンを完全に又は部分的に硬化させて波長変換フィルムにすることによって、エチレン−テトラフルオロエチレンフィルムなどの支持フィルム上に形成される。波長変換材料は、下記の処理をする前に取り除かれる別のエチレン−テトラフルオロエチレンフィルムによって一時的に保護されてもよい。処理後、支持フィルムは、一般に、波長変換フィルムからはがされる。幾つかの実施例において、支持フィルムは、成形レンズを鋳型から解放する解放フィルムとしての役割を果たす。
幾つかの実施例において、波長変換フィルムに、ダイヤモンドなどの熱放散材料が加えられ得る。幾つかの実施例において、波長変換フィルムに、フィルムの屈折率を調節して、光伝送を改善し、且つ／又は変換を改善するよう、ダイヤモンドなどの材料が加えられ得る。
予備事項として、光源が設けられる。下記の例においては、光源はＬＥＤであるが、あらゆる適切な光源が用いられ得る。また、下記の例においては、光源は、青色又はＵＶ光を放射するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであるが、ＬＥＤ以外の半導体発光装置、及び他のＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩＩ族燐化物、ＩＩＩ族砒化物、ＩＩ−ＶＩ族材料、又はSiベースの材料などの他の材料系から作成された半導体発光装置が用いられてもよい。
従来のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ１０は、まず、成長基板上に半導体構造を成長させることによって形成される。一般に、ｎ型領域が、最初に成長させられ、例えば、ｎ型であり得る又は意図的にはドーピングされない、バッファ層又は核形成層などの準備層、後の基板の剥離又は基板除去後の半導体構造の薄層化を容易にするよう設計される剥離層、及び発光領域が効率的に光を放射するのに望ましい特定の光学的又は電気的特性のために設計されるｎ型装置層又はｐ型装置層を含む、異なる組成及びドーパント濃度の多数の層を含み得る。発光又は活性領域は、ｎ型領域の上で成長させられる。適切な発光領域の例は、単一の厚い若しくは薄い発光層、又は障壁層によって分離される多数の薄い若しくは厚い量子井戸発光層を含む多重量子井戸発光領域を含む。ｐ型領域は、発光領域の上で成長させられる。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域は、意図的にはドーピングされない層又はｎ型層を含む、異なる組成、厚さ及びドーパント濃度の多数の層を含み得る。
ｎ型層への電気的アクセスを得るために様々な技術が用いられる。ｐ型層及び活性層の一部は、金属化のためにｎ型層を露出させるようエッチングされる。この方法においては、ｐ型接点とｎ型接点とが、チップの同じ側にあり、適切な台の上の導体パッドに、直接、電気的に取り付けられることができる。装置は、光が、上面（即ち、電気接点が形成される面）又は底面（即ち、反射性接点を備えるフリップチップ）から抽出されるように取り付けられ得る。成長基板は、半導体構造から取り除かれてもよく、又は完成装置の一部のままであってもよい。基板除去後、半導体構造が、薄くされてもよく、基板を取り除くことによって露出したｎ型領域の表面が、例えば、粗くすることによって、又はフォトニック結晶構造を形成することによって、光抽出を改善するよう、テクスチャード加工されてもよい。垂直射出ＬＥＤにおいては、対照的に、ｎ型接点は、半導体構造の一方の側に形成され、ｐ型接点は、半導体構造の他方の側に形成される。ｐ型接点又はｎ型接点のうちの一方との電気接触は、ワイヤ又は金属ブリッジを用いてなされ、他方の接点は、台の上の導体パッドに、直接、結合される。下記の例は、成長基板が取り除かれているフリップチップ装置を含むが、あらゆる適切な装置構造が用いられ得る。
ＬＥＤの上で成形される可撓性フィルムには、蛍光体又は染料などの１つ以上の波長変換材料が含まれ得る。可撓性フィルムには、例えば、光散乱をもたらすよう、又は装置のオフ状態の白色の見た目を改善するよう、TiOx粒子などの波長を変換しない材料が含まれてもよい。可撓性フィルムは、例えば、光抽出を改善するようマイクロレンズをエンボス加工することによって、光学特性を変えるようテクスチャード加工され得る。
１つ以上の波長変換材料と組み合わされたＬＥＤは、白色光又は他の色の単色光を作成するのに用いられ得る。ＬＥＤによって放射される光の全て又は一部だけが、波長変換材料によって変換され得る。下記の例においては、波長変換材料は、粉末蛍光体であるが、あらゆる適切な波長変換材料が用いられ得る。無変換光が、光の最終スペクトルの一部であってもよいが、そうである必要はない。一般的な組み合わせの例は、黄色放射蛍光体と組み合わされる青色放射ＬＥＤと、緑色及び赤色放射蛍光体と組み合わされる青色放射ＬＥＤと、青色及び黄色放射蛍光体と組み合わされるＵＶ放射ＬＥＤと、青色、緑色及び赤色放射蛍光体と組み合わされるＵＶ放射ＬＥＤとを含む。装置から放射される光のスペクトルを調整するために、他の色の光を放射する波長変換材料が用いられてもよい。多数の波長変換材料は、混ぜ合わされて単一のフィルムに形成されてもよく、単一のフィルム内の別々の層として形成されてもよく、又は多数のフィルム内の混合層若しくは別々の層として形成されてもよい。
可撓性フィルムに形成される波長変換材料は、装置において、ＬＥＤに接着若しくは結合される予備成形セラミック蛍光体層、又はＬＥＤの上に、ステンシルで印刷される、スクリーン印刷される、吹き付けられる、沈殿される、蒸着される、スパッタリングされる、若しくは別の方法で投与される有機カプセル材料内に配置される粉末蛍光体などの他の従来の波長変換材料と組み合されてもよい。
図２乃至６は、本発明の第１実施例の形成を図示している。
図２においては、支持基板１２に取り付けられた幾つかのＬＥＤ１０が、鋳型２０の、各ＬＥＤ１０に対応するくぼみ２２と位置合わせされる。波長変換可撓性フィルム１４は、支持フィルム１６上に配置される。波長変換フィルム１４及び支持フィルム１６は、支持基板１２と鋳型２０との間に配置される。幾つかの実施例において、波長変換フィルムは、完全に硬化される。幾つかの実施例において、支持フィルム１６は、図３に記載されている成形材料２４が、鋳型２０に付着するのを防止する、エチレン−テトラフルオロエチレンなどの材料である。
波長変換フィルム１４の厚さは、用いられる波長変換材料と、装置から放射される光の所望の特性とに依存する。波長変換フィルム１４の厚さは、幾つかの実施例において、10μmと200μmとの間であってもよく、幾つかの実施例において、40μmと60μmとの間であってもよく、幾つかの実施例において、50μmであってもよい。
図３においては、支持フィルム１６及び波長変換フィルム１４が、鋳型２０のくぼみ２２の内側を覆うように鋳型２０に押し付けられる。例えば、支持フィルム１６及び波長変換フィルム１４は、鋳型のくぼみの上に広げられてもよく、次いで、図３に図示されているように鋳型のくぼみにフィルムを引き入れる減圧環境又は真空状態が作成されてもよい。鋳型２０と支持基板１２との間には成形材料２４が配置される。くぼみ２２は、任意の適切な形状をとり得るが、一般に、くぼみ２２は、レンズのような形状をしており、成形材料２４は、透明である。成形材料２４は、多くの場合、シリコーンであるが、あらゆる適切な成形材料が用いられ得る。
図４においては、成形材料２４を、強制的に、鋳型２０のくぼみ２２に充填させ、ＬＥＤ１０及び支持基板１２に付着させるよう、鋳型２０と支持基板１２とが押し付けられる。成形材料２４をくぼみ２２に引き入れるために、真空状態又は減圧環境が利用されてもよい。各ＬＥＤ１０上にレンズ２６が形成される。成形材料２４は、例えば加熱することによって、固体レンズ２６を形成するよう、成形材料に適切なように硬化され得る。
図５においては、各ＬＥＤ１０の上に成形材料２４から形成されたレンズ２６を残して、鋳型２０が取り除かれる。波長変換フィルム１４及び支持フィルム１６は、各レンズ２６の上、且つ隣接するレンズの間に配置される。
図６においては、支持フィルム１６が取り除かれる。
図６に図示されている装置においては、波長変換フィルム１４は、レンズ２６によって、ＬＥＤ１０から間隔をおいて配置される。図７乃至１１は、ＬＥＤと直接接触している波長変換フィルムを備える装置の形成を図示している。
図７においては、可撓性波長変換フィルム２８は、ＬＥＤ１０の上に位置付けられ、ＬＥＤ１０は、支持基板１２に取り付けられる。波長変換フィルム２８は、上記の波長変換フィルム１４と同じ特性を持っていてもよく、支持フィルム上に形成されてもよい。幾つかの実施例において、波長変換フィルム２８は、部分的にしか硬化されない。
図８においては、ＬＥＤ１０が、鋳型２０の、各ＬＥＤ１０に対応するくぼみ２２と位置合わせされる。
図９においては、鋳型２０と波長変換フィルム２８との間に、成形材料２４が配置される。鋳型２０は、図９には示されていないオプションの解放フィルムで内側を覆われてもよい。
図１０においては、成形材料２４を、強制的に、鋳型２０のくぼみ２２の形状にして、各ＬＥＤ１０の上にレンズ２６を形成するよう、鋳型２０と支持基板１２とが押し付けられる。成形材料２４は、波長変換フィルム２８を、強制的に、ＬＥＤ１０及び支持基板１２の形状に適合させ、ＬＥＤ１０及び支持基板１２に付着させる。成形材料２４は、波長変換フィルム２８に付着する。成形材料２４は、上記のように硬化されてもよい。
図１１においては、鋳型２０が取り除かれる。レンズ２６の上にとどまっている解放フィルムも取り除かれる。図１１に図示されている装置においては、波長変換フィルム２８は、ＬＥＤ１０、及びＬＥＤ１０間の支持基板１２と直接接触している。波長変換フィルム２８の上には、レンズ２６が配置されている。
図１２乃至１６は、２つの波長変換フィルムを備える装置の形成を図示している。
図１２においては、可撓性波長変換フィルム２８が、上で、図７に関して記載されているように、ＬＥＤ１０及び支持基板１２の上に位置付けられる。波長変換フィルム２８は、支持フィルム上に形成されてもよく、幾つかの実施例においては、部分的に硬化される。波長変換フィルム１４及び支持フィルム１６は、上で、図２に関して記載されているように、鋳型２０の上に位置付けられる。幾つかの実施例において、波長変換フィルム１４は、完全に硬化される。鋳型２０のくぼみ２２が、ＬＥＤ１０と位置合わせされる。
図１３においては、波長変換フィルム１４及び支持フィルム１６が、上で、図３に関して記載されているように、鋳型２０の内側を覆うように、鋳型２０のくぼみ２２に押し込まれる。成形材料２４は、波長変換フィルム２８と波長変換フィルム１４との間に投与される。
図１４においては、鋳型２０と支持基板１２とが押し付けられる。成形材料２４は、鋳型２０のくぼみ２２を満たして、ＬＥＤ１０の上にレンズを形成する。成形材料２４は、波長変換フィルム２８を、強制的に、ＬＥＤ１０及び支持基板１２の形状に適合させる。
図１５においては、鋳型２０が取り除かれる。
図１６においては、支持フィルム１６が取り除かれる。図１６に図示されている装置においては、第１波長変換フィルム２８が、ＬＥＤ１０の上面と直接接触している。第１波長変換フィルム２８の上には、レンズ２６が配置される。レンズ２６の上には、第２波長変換フィルム１４が配置される。第１及び第２波長変換フィルムは、異なる波長変換材料を含み得る。或る例においては、ＬＥＤ１０は、青色光を放射してもよく、波長変換フィルムのうちの一方は、黄色又は緑色放射蛍光体を含んでもよく、波長変換フィルムのうちの他方は、赤色放射蛍光体を含んでもよい。
幾つかの実施例において、波長変換フィルム１４を保護するために、図６及び１６に図示されている装置の上に、オプションの付加的な透明層が成形されてもよい。付加的な透明層は、抽出効率を高めるよう成形されてもよく、且つ／又は所望の供給源サイズを供給するよう所定の大きさに作られてもよい。材料は、装置から放射される光の色対角度を改善するよう、又は全体的な光出力を増大させるよう、選択され得る。付加的な透明層の表面の全て又は一部が、光抽出を改善するよう、テクスチャード加工されてもよい。幾つかの実施例において、レンズ２６は、付加的な透明層より小さい屈折率を持ち、このことは、無変換青色光子であって、それらが吸収されて失われ得るＬＥＤの方へ後方散乱される無変換青色光子の数を減らし得る。或る例においては、レンズ２６の屈折率は1.4以下であり、付加的な透明層の屈折率は1.5以上である。
上の実施例において記載されているような成形波長変換フィルムには、従来の波長変換層に比べて幾つかの利点があり得る。可撓性波長変換フィルムは、成形処理とは別に形成され得る。所望の色を達成するために、色測定が、予め実施されることができ、所与のＬＥＤ発光色に合わせてフィルムが調整され得る。波長変換フィルムは、低いコストで大きな面積を製造され得る。ＬＥＤ１０と波長変換フィルム１４との間の距離、波長変換フィルムの厚さ、及びＬＥＤの上の波長変換フィルムの厚さの一様性は、抽出効率、色制御及び供給源サイズを改善するよう、厳しく制御され、最適化され得る。
ＬＥＤのすぐ上に波長変換フィルムを配置するのと対照的に、図６に図示されているような近隔配置において波長変換フィルムを光源から間隔をおいて配置することにも利点があり得る。例えば、近隔波長変換フィルムは、ＬＥＤからより少ない熱にしかさらされないかもしれず、これは、温度に影響されやすい波長変換材料の使用を可能にし得る。近隔波長変換層における光子密度は、減らされることができ、これは、装置からの光出力を増大させ得る。ＬＥＤの吸収断面は、近隔波長変換フィルムで減らされることができ、これは、抽出効率を高め得る。装置のオフ状態の白色の見た目を改善するよう、波長変換フィルムに含まれるTiOxなどの材料を備える装置においては、所与の白さのための光損失が、吸収断面の減少により、減らされ得る。近隔波長変換装置においては、放射される光の色対角度依存性が減らされ得る。
本発明を詳細に説明したが、当業者には、本開示を鑑みて、ここに記載されている本発明の思想の趣旨から外れない修正が本発明に対してなされ得ることは分かるであろう。それ故、本発明の範囲を、図示及び記載されている特定の実施例に限定する意図はない。
Claims (13)
- 波長変換材料を含む可撓性フィルムを光源の上に位置付けるステップと、
前記光源を、鋳型のくぼみと位置合わせするステップと、
前記光源と前記鋳型との間に透明な成形材料を配置するステップと、
前記成形材料を前記くぼみに充填させ、前記可撓性フィルムを所定の形状に適合させるよう、前記光源と前記鋳型とを押し付けるステップとを有する方法。 - 前記光源が、支持基板に取り付けられるＩＩＩ族窒化物発光ダイオードを有する請求項１に記載の方法。
- 前記可撓性フィルムが、前記発光ダイオードと直接接触し、前記発光ダイオードの形状に適合する請求項２に記載の方法。
- 前記可撓性フィルムが、前記鋳型と直接接触し、前記くぼみの形状に適合する請求項２に記載の方法。
- 前記可撓性フィルムが、シリコーンフィルム内に配置される粉末蛍光体を有する請求項２に記載の方法。
- 前記シリコーンフィルムが、前記位置付けるステップの前に、完全に硬化される請求項５に記載の方法。
- 前記シリコーンフィルムが、前記位置付けるステップの前に、部分的に硬化される請求項５に記載の方法。
- 前記可撓性フィルムが、波長を変換しない材料を更に含み、前記波長を変換しない材料が、前記可撓性フィルムの屈折率を変える請求項５に記載の方法。
- 前記可撓性フィルムが、支持フィルム上に配置される請求項２に記載の方法。
- 前記光源と前記鋳型とを押し付けるステップの後に、前記支持フィルムを取り除くステップを更に有する請求項９に記載の方法。
- 前記くぼみが、レンズのような形状をしている請求項２に記載の方法。
- 前記可撓性フィルムが、前記発光ダイオードと直接接触する第１可撓性フィルムであり、前記方法が、
波長変換材料を含み、前記鋳型と直接接触する第２可撓性フィルムを位置付けるステップを更に有し、
前記透明な成形材料が、前記第１可撓性フィルムと前記第２可撓性フィルムとの間に配置される請求項２に記載の方法。 - 前記成形材料を前記くぼみに充填させ、前記可撓性フィルムを所定の形状に適合させるよう、前記光源と前記鋳型とを押し付けるステップが、前記成形材料を前記くぼみに引き入れる減圧環境を作成するステップを有する請求項２に記載の方法。
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