JP2015511775A - 発光デバイス及び波長変換材料を含む光共振器 - Google Patents

発光デバイス及び波長変換材料を含む光共振器 Download PDF

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Abstract

本発明の実施形態は、基板に取り付けられた半導体発光ダイオードを含む。波長変換材料の第１の領域が、基板上に配置される。波長変換材料は、半導体発光ダイオードによって発せられた光を吸収する及び異なる波長で光を発するように構成される。第１の領域において、波長変換材料は、基板の表面全体をコーティングする。基板は、光共振器の底面に近接して配置される。波長変換材料の第２の領域は、光共振器の上面に近接して配置される。

Description

本発明は、発光ダイオード等の半導体発光デバイス及び蛍光体等の波長変換材料を含む光共振器に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共鳴共振器発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、面発光レーザ等の垂直共振器レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及び端面発光レーザを含む半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率的な光源の種類である。可視スペクトルに亘って動作可能な高輝度発光デバイスの製造において現在関心が寄せられている材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、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。一般的に、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属化学蒸着法（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、異なる組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックをサファイア、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板上にエピタキシャル成長させる事によって作られる。このスタックは、多くの場合、例えばＳｉでドープされ、基板上に形成された１つ又は複数のｎ型層、１つ又は複数のｎ型層上に形成された活性領域における１つ又は複数の発光層、及び例えばＭｇでドープされ、活性領域上に形成された１つ又は複数のｐ型層を含む。電気コンタクトは、ｎ型及びｐ型領域上に形成される。
ＩＩＩ族窒化物デバイスは、当該技術分野で公知のように、蛍光体等の波長変換材料と組み合わせられる事によって、白色光又は他の色の光を形成する事ができる。
図１は、米国特許第７，０５２，１５２号により詳細に記載されるバックライトを示す。米国特許第７，０５２，１５２号の第５欄３３行目から第６欄７行目までは、青色、紫外線、又は近紫外線ＬＥＤのみが使用される場合のバックライト構成として、図１のデバイスを記載しており、そこでは、色変換蛍光体層１３９がカバープレート１４０上にある。カバープレート１４０は、蛍光体によって行われる拡散の量に応じて、拡散器でもよいし、拡散器でなくてもよい。蛍光体層１３９は、１つ又は複数の異なる種類の蛍光体から成る均一層である。好ましくは、緑色及び赤色蛍光体が使用されるが、黄色（ＹＡＧ）蛍光体も同様に使用され得る。この層１３９は、例えば、スプレー塗装、スクリーン印刷、若しくは電気泳動堆積によって塗布する事ができる、又は均一な粒子密度若しくは膜全体に分布された発光染料を有する膜でもよい。この構成は、蛍光体がＬＥＤダイ上になく、蛍光体からバックライト１２６の後方へと発せられた光が、バックライト１２６に使用された膜の高反射率により、ＬＥＤチップ内へ入るよりも大きなリサイクル効率を有するので魅力的である。リサイクル効率に加えて、蛍光体は、低温で動作する事ができ、ＬＥＤダイと化学的適合性の問題を持たず、効率及び寿命を大幅に向上する。ＬＣＤパネル１１４は、バックライト１２６上に配置される。
別の実施形態では、ある種類の蛍光体、好ましくは、緑色又は琥珀色蛍光体がカバープレート１４０に塗布され、その一方で、別の蛍光体、好ましくは赤色蛍光体がバックライト構成の後部パネル１４８に塗布される。後部パネルは、拡散器として機能する。この蛍光体は、均一なコーティングとして塗布されず、ドットパターンとして塗布される。ＬＥＤからの青色光並びに蛍光体層からの赤色及び緑色光の組み合わせは、ＬＣＤパネル１１４に対して実質的に白色のバックライトを生成する。この様な構成において蛍光体を分ける事によって、より高い変換効率が達成され、その一方で、蛍光体ドットの大きさ及び間隔を最適化する事によって、必要とされる色バランス及び色域を達成する事ができる。
本発明の目的は、システムの効率を向上する事ができる、ＬＥＤ及び波長変換材料が基板上に配置された光学システムを形成する事である。
本発明の実施形態は、基板に取り付けられた半導体発光ダイオードを含む。波長変換材料の第１の領域が、基板上に配置される。波長変換材料は、半導体発光ダイオードによって発せられた光を吸収する及び異なる波長で光を発するように構成される。第１の領域において、波長変換材料は、基板の表面全体をコーティングする。基板は、光共振器の底面に近接して配置される。波長変換材料の第２の領域は、光共振器の上面に近接して配置される。
本発明の実施形態は、基板に取り付けられた半導体発光ダイオードを含む。波長変換材料の第１の領域が、基板上に配置される。波長変換材料は、半導体発光ダイオードによって発せられた光を吸収する及び異なる波長で光を発するように構成される。基板は、光共振器の底面に近接して配置される。波長変換材料の第２の領域は、光共振器の上面に近接して配置される。反射面が、半導体発光ダイオード上部に配置される。反射面は、反射された光を半導体発光ダイオードから離れるように指向させるように構成される。
ＬＥＤの二次元配列を含む先行技術のバックライトを示す。 基板に取り付けられた少なくとも１つの半導体発光デバイス及び基板上に配置された波長変換材料を備えた光共振器を示す。 基板に取り付けられた少なくとも１つの半導体発光デバイス及び共振器の上部及び底部に配置された波長変換材料を備えた光共振器を示す。 基板に取り付けられた少なくとも１つの半導体発光デバイス、共振器の両側面に配置された波長変換材料、及び半導体発光デバイスの上部に配置された反射領域を備えた光共振器を示す。 形作られた反射領域を備えた光共振器を示す。 形作られた反射領域を備えた光共振器を示す。 形作られた反射領域を備えた光共振器を示す。
図２は、本発明の実施形態による光共振器を示す。１つ又は複数のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ１６は、光共振器１０内の又はそれに隣接する基板１４上に配置される。以下の例は、青色又は紫外線光を発するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤに言及するが、レーザダイオード等のＬＥＤ以外の半導体発光デバイス及び他のＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩＩ族リン化物、ＩＩＩ族ヒ化物、ＩＩ−ＶＩ族材料、ＺｎＯ、又はＳｉ系材料等の他の材料系から作られた半導体発光デバイスが、本発明の実施形態において使用され得る。
任意の適切なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを使用する事ができ、この様なＬＥＤは、周知のものである。ＬＥＤ１６は、例えば、大部分の光をＬＥＤの上面から発するように構成されたフリップチップデバイスでもよい。この様なＬＥＤを形成する為には、当該技術分野で公知のように、ＩＩＩ族窒化物半導体構造体が最初に成長用基板上に成長される。成長用基板は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ等の任意の適切な基板又は複合基板でもよい。半導体構造体は、ｎ型及びｐ型領域間に挟まれた発光又は活性領域を含む。ｎ型領域は、最初に成長されてもよく、例えばバッファ層若しくは核形成層等の準備層、並びに／又は成長用基板の除去を容易にするように設計された層（これらは、ｎ型でもよい、若しくは意図的にドープされなくてもよい）、並びに効率的に発光する為に発光領域にとって望ましい特定の光学、材料、若しくは電気特性を有するように設計されたｎ型若しくはｐ型のデバイス層を含む、異なる組成及びドーパント濃度の複数の層を含み得る。発光又は活性領域は、ｎ型領域上に成長される。適切な発光領域の例は、単一の厚い若しくは薄い発光層、又はバリア層によって分離された複数の薄い若しくは厚い発光層を含む多重量子井戸発光領域を含む。次に、ｐ型領域が、発光領域上に成長され得る。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域は、意図的にドープされていない層又はｎ型層を含む、異なる組成、厚さ、及びドーパント濃度の複数の層を含み得る。デバイスの全半導体材料の全体の厚さは、ある実施形態では１０μｍ未満、及びある実施形態では６μｍ未満である。
金属ｐコンタクトは、ｐ型領域上に形成される。フリップチップデバイスにおいて等、大部分の光がｐコンタクトとは反対側の面を通して半導体構造体から外へと指向される場合、ｐコンタクトは、反射性でもよい。フリップチップデバイスは、標準的なフォトリソグラフィー工程によって半導体構造体をパターニングする、及び半導体構造体をエッチングする事によって、ｐ型領域の全厚さの一部及び発光領域の全厚さの一部を除去し、それによって、上に金属ｎコンタクトが形成されるｎ型領域の表面を露出させるメサを形成する事によって形成され得る。メサ並びにｐ及びｎコンタクトは、任意の適切な方法で形成され得る。メサ並びにｐ及びｎコンタクトの形成は、当業者には周知のものである。
半導体構造体は、ｐ及びｎコンタクトを介して支持体に接続され得る。支持体は、半導体構造体を機械的に支持する構造体である。支持体は、図２の基板１４への取付けに適した自己支持形構造体である。例えば、支持体は、リフロー半田付け可能でもよい。任意の適切な支持体を使用する事ができる。適切な支持体の例は、シリコンウエハ、例えばめっきによって半導体構造体上に形成された厚い金属ボンディングパッド、又はセラミック、金属、若しくはその他の適切なマウント等の、半導体構造体への電気的接続を形成する為の導電性ビアを有する絶縁若しくは半絶縁ウエハを含む。
上記の半導体構造体、金属コンタクト、及び支持体を含むＬＥＤ１６は、基板１４上にマウントされる。基板１４は、光反射性及び熱伝導性でもよい。ＬＥＤ１６への電気コンタクトは、基板１４を通して行われ得る。適切な基板１４の例は、メタルコアプリント回路基板、ＦＲ４系プリント回路基板、セラミック、金属、プラスチック、及びシリコーンを含む。ある実施形態では、基板１４の上面は、反射性である又は反射塗料若しくは反射性金属の層等の反射性物質でコーティングされる。基板１４は、ある実施形態では少なくとも０．１Ｗ／ｍＫ（シリコーン）、ある実施形態では少なくとも１０Ｗ／ｍＫ、ある実施形態では少なくとも１００Ｗ／ｍＫ、及びある実施形態では０．１Ｗ／ｍＫ〜４００Ｗ／ｍＫ（銅）の熱伝導率を有し得る。
図２、３、及び４の各々では複数のＬＥＤが示されているが、本発明のある実施形態では、単一のＬＥＤ１６が使用されてもよい。複数のＬＥＤ１６は、基板１４上の任意の適切な配置で配置され得る。例えば、４つのＬＥＤ１６が基板１４上で２×２の正方配列で配置されてもよく、又は複数のＬＥＤ１６が基板１４上で円形に配置されてもよい。多くの変更が可能であり、且つ本発明の範囲内である。
ＬＥＤ１６に隣接して、１つ又は複数の波長変換領域１８が基板１４上に配置される。複数のＬＥＤ１６を含むデバイスにおいて、波長変換領域１８は、ＬＥＤ１６間に配置され得る。ある実施形態では、図１に示されたデバイスにおいて見られる様に、波長変換領域１８が形成される領域において基板の表面を部分的にのみ覆うドットとして形成されるのではなく、波長変換領域１８は、それが形成される領域において基板の表面全体を覆う。
ある実施形態では、ＬＥＤ１６と波長変換領域１８の端部との間に間隙は存在しない。例えば、ＬＥＤ１６は、基板１４上にマウントされてもよく、次に、波長変換領域１８とＬＥＤ１６との間に間隙が存在しないように、ＬＥＤ１６及び基板１４を含む構造体全体が、波長変換材料でコーティングされる。
ある実施形態では、ＬＥＤ１６と、波長変換領域１８の端部との間に小さな間隙が存在する。例えば、波長変換領域１８は、基板１４上に形成されてもよく、次に、ＬＥＤ１６が波長変換領域間のエリアにマウントされる。製造公差は、ＬＥＤ１６の端部と波長変換領域１８の端部との間の小さな間隙が波長変換材料で覆われない事を必要とする。
波長変換領域１８は、ある実施形態では少なくとも０．５ｍｍの幅であり、ある実施形態では２０ｍｍ以下の幅である。ＬＥＤ１６と波長変換領域１８の端部との間の間隙は、ある実施形態では０ｍｍ〜０．５ｍｍである。ある実施形態では、波長変換領域１８は、ＬＥＤ１６と同じ厚さでもよい。別の実施形態では、波長変換領域１８は、ＬＥＤ１６よりも薄くてもよい又は厚くてもよい。
波長変換領域１８における波長変換材料は、ＬＥＤ１６によって発せられた光を吸収し、異なる波長の光を発する。発光デバイスによって発せられた非変換光は、そうである必要はないが、光共振器から抽出された光の最終スペクトルの一部である事が多い。一般的な組み合わせの例は、黄色発光波長変換材料と組み合わせられた青色発光ＬＥＤ、緑色及び赤色発光波長変換材料と組み合わせられた青色発光ＬＥＤ、青色及び黄色発光波長変換材料と組み合わせられた紫外線発光ＬＥＤ、並びに青色、緑色、及び赤色発光波長変換材料と組み合わせられた紫外線発光ＬＥＤを含む。他の色の光を発する波長変換材料が、デバイスから発せられる光のスペクトルを調整する為に加えられてもよい。
波長変換材料は、従来の蛍光体、有機蛍光体、量子ドット、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ若しくはＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ若しくはＩＩＩ−Ｖ族半導体量子ドット若しくはナノ結晶、染料、ポリマー、又は冷光を発するＧａＮ等の材料でもよい。限定される事はないが、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（ＹＡＧ）、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（ＬｕＡＧ）、Ｙ３Ａｌ５−ｘＧａｘＯ１２：Ｃｅ（ＹＡｌＧａＧ）、（Ｂａ１−ｘＳｒｘ）ＳｉＯ３：Ｅｕ（ＢＯＳＥ）等のガーネット系蛍光体、並びに（Ｃａ、Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ及び（Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ等の窒化物系蛍光体を含む任意の適切な蛍光体が使用され得る。
本明細書に記載された波長変換領域の何れも、シリコーン、エポキシ樹脂、ガラス、又は任意の他の適切な材料等の透明材料のマトリックスに配置された波長変換材料を含み得る。本明細書に記載された波長変換領域は、例えば、薄膜、波長変換材料自体以外のバインダー材料の有無にかかわらず予め形成された若しくはその場で形成されたセラミックスラブ、粒子又はシリコーン、エポキシ樹脂、若しくは任意の他の適切な材料等の透明バインダーと混合された及びスクリーン印刷、鋳造、スプレー塗装、ステンシリング、若しくは任意の他の適切な技術によって形成された粉末波長変換材料でもよい。本明細書に記載された各波長変換領域は、単一の波長変換材料、複数の波長変換材料の混合物、又は一緒に混合されるのではなく、別々の層として形成された複数の波長変換材料を含んでもよい。異なる色の光を発する波長変換材料は、別々の領域に配置されてもよい、又は一緒に混合されてもよい。
波長変換領域１８の厚さは、波長変換材料及び堆積技術によって決まる。波長変換領域の厚さは、ある実施形態では少なくとも０．５μｍ間であり、ある実施形態では５００μｍ以下であり、ある実施形態では１ｍｍ以下である。様々な実施形態において、波長変換材料は、ＬＥＤ１６の上部上に配置されてもよく、又は図２、３、及び４に示される様に、ＬＥＤ１６の上部上に配置されなくてもよい。
ある実施形態では、波長変換領域１８における波長変換材料の厚さ及び密度は、波長変換領域１８の上部に入射した光が波長変換領域１８を貫通して基板１４に到達する事があまり又は全くないように選択される。基板に光が到達しないように形成された波長変換層は、高散乱性波長変換材料の場合及び／又はＬＥＤ１６によって発せられた光の大部分を波長変換する事が望ましい適用において有利となり得る。例えば、構造体が温白色光を発するある実施形態では、ＬＥＤ１６によって発せられた光の少なくとも９０％が波長変換領域によって波長変換される。
代替実施形態では、波長変換領域１８における波長変換材料の厚さ及び密度は、少なくとも一部の光が波長変換材料を透過し、基板に反射して波長変換材料を通って戻るように選択される。この様な薄い層は、例えば、有機蛍光体、量子ドット、若しくは高密度セラミック等の散乱性の高くない波長変換材料の場合、ＬＥＤ１６によって発せられた光のごく一部を波長変換する事が望ましい適用において、及び／又は波長変換材料が高価である場合に有利となり得る。
基板１４、ＬＥＤ１６、及び波長変換領域１８は、光共振器１０の底面を形成する。上部から見た共振器１０は、正方形又は円形等の任意の適切な形状のものでよい。共振器１０の側壁は、図２、３、及び４に示される様に垂直である必要はなく、それらは、例えば、逆角錐台又は逆円錐台を形成するように傾斜されてもよい。共振器１０の形状は、適用によって決定され得る。共振器１０は、空気（屈折率１）若しくは雰囲気ガスで満たされた箱、又はガラス（屈折率１．４〜２．２）、シリコーン（屈折率１．４〜２）、透明セラミック（屈折率１．８）、サファイア（屈折率１．７６）、ＳｉＣ（屈折率２．４）、キュービックジルコニア（屈折率２．１５）、ダイヤモンド（屈折率２．４）、ＧａＮ（屈折率２．４）、エポキシ樹脂、若しくは任意の他の適切な材料等の固体透明材料でもよい。ある実施形態では、共振器１０の固体材料は、ＬＥＤ１６（様々であるが多くの場合約２．４である屈折率を持つＩＩＩ族窒化物材料）の屈折率に可能な限り近い屈折率を持つように選択される。光共振器１０は、ある実施形態では少なくとも１の屈折率、ある実施形態では２．４以下、ある実施形態では少なくとも１．８、及びある実施形態では少なくとも２の屈折率を有する。光共振器１０を形成する固体透明材料の厚さは、ある実施形態では少なくとも０．５ｍｍでもよく、ある実施形態では３ｍｍ以下でもよいが、より厚い及びより薄い光共振器１０が共に可能であり、且つ本発明の範囲内である。
固体透明材料である光共振器１０の場合、基板１４、ＬＥＤ１６、及び波長変換領域１８を含む構造体は、シリコーン等の接着剤によって又は別の適切な技術若しくは材料によって固体透明材料に取り付けられてもよい。
ＬＥＤ１６及び波長変換領域１８は共に、例えば、基板１４をヒートシンクとして構成する事によって又は基板１４をヒートシンクに熱的に接続する事によって基板１４を通して熱が効率的に放散され得る基板１４上又はその付近に配置される。波長変換領域１８は、様々な駆動条件に亘る動作中に比較的低温に維持される事が可能であるので、量子効率の低下及び発光波長の変化等の加熱に関連した問題が低減される又は排除される。更に、波長変換領域１８は、ＬＥＤ１６からの光の経路に直接形成されないので、波長変換領域への入射光強度は、低く維持され、これは、波長変換材料の量子効率を向上し得る。ＬＥＤ１６と基板１４との間の経路又は波長変換領域１８と基板１４との間の経路の熱抵抗率は、ある実施形態では少なくとも０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗ、ある実施形態では５０ｃｍ２Ｋ／Ｗ以下、ある実施形態では少なくとも１ｃｍ２Ｋ／Ｗ、及びある実施形態では２ｃｍ２Ｋ／Ｗ以下である。
ある実施形態では、光共振器１０の側壁１２は、反射性である。共振器１０が箱である場合、側壁１２は、反射性、固体壁、又は固体壁上に配置された若しくは固体壁に取り付けられた反射性材料でもよい。共振器１０が固体透明材料である場合、側壁１２は、固体透明材料の両側面上に配置された反射ホイル又は反射性材料でもよい。
ある実施形態では、任意選択のフィルタ２０が光共振器１０の上部に配置される。例えば、フィルタ２０は、干渉に基づいた二色性反射層又は任意の他の適切なフィルタでもよい。共振器１０が箱である場合、二色性フィルタ２０は、二色性物質のシート、又はガラス若しくはプラスチック等の透明シートの上面若しくは底面上にコーティングされた若しくは形成された二色性層でもよく、これは、図２に示された構造体上のカバーとして機能してもよいし、しなくてもよい。共振器１０が固体透明材料である場合、二色性フィルタ２０は、固体透明材料の上面上にコーティング又は形成されてもよい。
フィルタ２０は、光線２４によって示される様に、ＬＥＤ１６によって発せられた及びＬＥＤ１６の上面に対する垂線に対して小角度でフィルタ２０に入射した光の全て又は大部分を反射するように構成される。この様な光は、光線２８によって示される様に反射される。ある実施形態では、フィルタ２０は、光線２６によって示される様に、一部の大角度光が漏れ出る様に、ＬＥＤ１６の上面に対する垂線に対して大角度でＬＥＤ１６によって発せられた及びフィルタ２０に入射した光の反射性が少なくなるように任意選択的に構成される。フィルタ２０は、光線３０によって示される様に、波長変換領域１８によって波長変換された光の全て又は大部分を任意の角度で透過するように構成されてもよい。
任意選択の散乱層２２は、フィルタ２０上又はフィルタ２０を含まない実施形態では光共振器１０上に形成されてもよい。散乱層２２は、ＴｉＯ２等の散乱粒子又はシリコーン、エポキシ樹脂、ガラス、若しくは任意の他の適切な材料等の透明マトリックスに配置された任意の他の適切な材料を含み得る。ある実施形態では、散乱層２２の代わりに又は散乱層２２に加えて、散乱粒子は、共振器１０の全容積又は容積の一部内に配置されてもよい。
動作中は、ＬＥＤ１６から発せられた光の一部は、任意選択のフィルタ２０及び任意選択の散乱層２２によって、共振器１０の底面に向けて戻るように再指向される。波長変換領域１８に入射した光は、変換される、即ち、吸収され、より長い波長で再発光される。変換光は、波長変換領域１８からの散乱及び反射性基板１４によって共振器１０内へと上向きに指向される。変換光及びＬＥＤ１６からの非変換光の一部は、場合により共振器１０の反射性端部への１回若しくは複数回の反射後に、及び／又は場合により散乱層２２若しくは他の表面によって散乱された後に、フィルタ２０を通って漏れ出る。上記の反射及び散乱事象は、変換及び非変換光を混合する、並びにより均一に非変換光を波長変換領域１８に分布させる働きをし、これは、「ホットスポット」、即ち、非変換光のより高い相対強度を経験する波長変換領域１８上のスポットを減らし得る。多くの適切な波長変換材料が、非変換ポンプ光の強度が低い場合に最も効率的であるので、より均一な励起が全体的なシステム効率の向上に役立つ。
フィルタ２０を透過するＬＥＤ１６からの非変換光の割合は、所望の割合のポンプ光が共振器から漏れ出る事を確実にする為に調整され得る。例えば、白色点の場合、様々な実施形態において、混合光の所望の色温度に応じて、並びにＬＥＤ１６及び波長変換領域１８から発せられた光のスペクトル特性に応じて、共振器１０から漏れ出る光の５％〜３０％がＬＥＤ１６からの非変換光であるべきである。透過される非変換光の割合は、二色性フィルタ２０を含む実施形態においては、当該技術分野で公知の様に、二色性フィルタの層に使用される材料、二色性フィルタにおける層の厚さ及び層の数を選択する事によって調整され得る。散乱層２２を含む実施形態においては、透過される非変換光の割合は、変換を増加又は減少させる為に散乱を増加又は減少させる事によって調整され得る。散乱は、散乱粒子の濃度を増加する、散乱層の厚さを増加する、散乱粒子の組成を変更する、散乱粒子の大きさ及び形状を変更する、又は散乱粒子が埋め込まれるマトリックスの組成を変更する事によって増加される事が可能である。散乱は、光共振器１０の上面又は側面等の光共振器１０の表面を粗面化する事によっても増加される事が可能である。ある実施形態では、非変換光の割合は、波長変換領域における波長変換材料の厚さ及び／又は濃度を減少する事によって増加される。ある実施形態では、非変換光の割合は、波長変換領域１８に散乱粒子を導入して、これにより、より多くの割合の入射光が、波長変換材料によって吸収されるのではなく、波長変換材料から離れるように散乱させる事によって増加される。散乱粒子は、波長変換材料の上の別の層内に配置されてもよく、又は波長変換材料と混合されてもよい。ある実施形態では、透過される非変換光の割合は、光共振器１０の上部の一部上にのみ散乱層２２及び／又はフィルタ２０を形成する事によって増加される。
ある実施形態では、フィルタ２０及び散乱層２２は、図２、３、及び４に示された構造体から発せられた光の色の角度変動を減少させる為に調整される。ある実施形態では、角度変動は、光共振器１０の上部における散乱を増加する事によって、例えば、上面に散乱粒子を加える、上面に散乱波長変換粒子を加える、共振器１０の上面を粗面化する、及び／又は共振器１０の大部分に散乱粒子を加える事によって減少される。ある実施形態では、角度変動は、当該技術分野で公知の様に、所望の角度で選択的に光を透過するように、フィルタ２０（もしあれば）の角度透過率特性を調整する事によって減少される。ある実施形態では、角度変動は、光共振器１０の側壁に加えられた波長変換材料の量を調整する事によって、及び／又は側壁を通る光の透過を調整する事によって減少される。
図３は、光共振器の上部及び底部に配置された波長変換領域を備えた光共振器１０を示す。図３の構造体では、図２の様に、第１の波長変換領域１８がＬＥＤ１６間に配置される。第２の波長変換領域３６は、共振器１０の上部に、例えば、フィルタ２０を含む実施形態ではフィルタ２０の真下若しくは真上、又は散乱層２２を含む実施形態では散乱層２２の真下若しくは真上に配置される。第２の波長変換領域３６は、図３に示される様に、共振器１０の上部全体を覆う単一の連続した領域でもよく、又は空間、透明材料、若しくは散乱材料等の別の材料によって分離された小領域に形成されてもよい。第２の波長変換領域３６は、任意の適切な技術によって、共振器１０の上面、フィルタ２０の底面、フィルタ２０の上面、又は例えば透明材料の別のシート上に形成されてもよい。
限定される事はないが、材料、厚さ、及び堆積技術を含む、波長変換領域１８の上記の特徴の何れも、本発明の実施形態において波長変換領域３６に適用され得る。波長変換領域１８及び３６は、ある実施形態ではそうである場合もあるが、同じ特徴を有する必要はない。
ある実施形態では、第２の波長変換材料は、図３に示される様に第２の別の層３６として形成されるのではなく、散乱層２２中の散乱粒子と混合される。
波長変換領域１８及び波長変換領域３６の各々において、単一又は複数の波長変換材料が含まれてもよい。異なる色の光を発する波長変換材料は、分離又は混合されてもよい。散乱又は他の非波長変換材料が、波長変換領域１８及び３６の一方又は両方に加えられてもよい。
ある実施形態では、共振器１０の上部及び底部上に波長変換領域を備えたシステムにおいて、共振器１０の上面の反射率（即ち、フィルタ２０の反射率）は、より多くの光がフィルタ２０によって透過される事を可能にする為に減少される事が可能であり、これは、構造体の効率を向上し得る。上部波長変換領域が存在するので、底部波長変換領域に入射する事が必要なＬＥＤ１６からの光はより少量であり、従って、光共振器１０の底部に向けて反射されなければならない光の量がより少ない。その結果、フィルタ２０は、反射性が少なくてもよい。加えて、共振器１０の上部上の波長変換領域によって引き起こされる散乱は、共振器の底部上の波長変換領域１８に向けて指向される光の量を増加し得る、及び散乱層２２に必要とされる散乱材料の量を減少し得る又は散乱層２２の必要性を完全に排除し得る。
ある実施形態では、共振器１０の底部上に配置された波長変換領域は、共振器１０の底部上の波長変換領域が共振器１０の上部上の波長変換領域よりも簡単に冷却され得るので、温度増加に伴って最も悪い性能低下を経験する波長変換材料を含む。
ある実施形態では、デバイスは、別の波長変換材料Ｂによって発せられた光によって励起される事が可能な波長変換材料Ａを含む。波長変換材料間の相互作用を最小限に抑える為に、波長変換材料Ａが、共振器１０の底部上の波長変換領域に配置されてもよく、一方、波長変換材料Ｂが、共振器１０の上部上の波長変換領域に配置されてもよい。
例えば、白色光を作るデバイスは、多くの場合、青色ＬＥＤ並びに赤色及び緑色又は黄色発光蛍光体を含む。赤色光を発する多くの蛍光体は、緑色又は黄色発光蛍光体によって発せられた光を吸収する。多くの赤色発光蛍光体は、温度に敏感でもある。ある実施形態では、赤色発光蛍光体は、共振器１０の底部上に配置される、及び緑色又は黄色発光蛍光体は、共振器１０の上部上に配置される。この様な構成において、赤色発光蛍光体は、赤色及び緑色／黄色蛍光体が混合されたシステムにおける場合と比較して、より少ない緑色又は黄色光を吸収し得る（これは、混合された光の演色評価数を向上し得る、デバイスの効率を向上し得る、及びカラーターゲティングを簡単にし得る）。
ある実施形態では、赤色発光蛍光体は、共振器１０の上部上に配置される、及び緑色又は黄色発光蛍光体は、共振器１０の底部上に配置される。ある実施形態では、赤色発光及び緑色／黄色発光蛍光体が混合され、この混合物が、共振器１０の上部及び底部上の両方に配置される。ある実施形態では、赤色発光蛍光体及び赤色発光量子ドットの混合物が共振器１０の底部上に配置される、並びに複数の種類の緑色発光蛍光体の混合物が共振器１０の上部上に配置される。ある実施形態では、単一の赤色発光蛍光体が共振器１０の底部上に配置される、並びに同じ又は異なる赤色発光蛍光体及び緑色／黄色発光蛍光体の混合物が共振器１０の上部上に配置される。
図３に示されたシステムの動作中、ＬＥＤ１６からの光２６の一部は、変換されずに共振器１０の上部を通って透過され、抽出される。非変換光は、共振器１０から漏れ出る前に共振器１０内で数回反射し得る。ＬＥＤ１６からの光の別の一部は、波長変換領域３６によって吸収され、異なる波長で再発光される。この再発光された光の一部は即刻漏れ出て、一部は共振器１０に入り、そこで、共振器１０の上部から外に抽出される前に複数回反射し得る。ＬＥＤ１６からの光の最後の部分２４は、共振器１０の上部に反射し、波長変換領域１８に入射する。波長変換領域１８は、この光の一部を吸収し、それを異なる波長で再発光する、及び残りを反射する。波長変換された光又は反射された非変換光は、共振器１０の上部から外に抽出される前に、複数回反射し得る。
図４は、図２及び３に示された構造体の何れかに対する可能な変更を示す。ある実施形態では、ＬＥＤ１６の真上の共振器１０の上部の領域は、フィルタ２０が含まれる実施形態ではフィルタ２０よりも反射性が高くされる、又はフィルタ２０が含まれない実施形態では反射性にされる。例えば、反射領域３８は、ＬＥＤ１６からの光がフィルタ２０又は散乱層２２の前に反射領域３８に遭遇するように、共振器１０の上部においてＬＥＤ１６の真上に形成され得る。反射領域３８は、例えば、共振器１０の上部上若しくはフィルタ２０の底部上、透明カバー上、又は任意の他の適切な層上に配置された反射性金属ホイル若しくは他の反射性材料のディスクでもよい。
反射領域３８によって反射された光がＬＥＤ１６に向けて戻るように指向されると、光は、ＬＥＤ１６によって吸収されて、失われ得る。ある実施形態では、反射領域３８は、反射された光をＬＥＤ１６から離れるように指向するように構成される。例えば、図４に示された反射領域は、反射された光をＬＥＤ１６から離れるように指向する粗面化、テクスチャ処理、又はパターニングされた表面を有し得る。図５、６、及び７は、反射された光をＬＥＤ１６から離れるように指向する形作られた反射領域３８の例を示す。図５、６、及び７は、１つのＬＥＤ１６を示すが、図示された反射領域３８は、共振器１０において複数のＬＥＤに亘って繰り返されてもよい。図示された反射領域３８は、ＬＥＤ１６の上面の法線に対して回転対称である事が多いが、ある実施形態では、そうである必要はない。
図５に示された反射領域３８は、ＬＥＤ１６の中心付近から共振器１０の上部に向けて上昇した後、波長変換領域１８に向けて戻るように延在する表面４１を有する。表面４１が波長変換領域１８に向けて下方に延びるにつれ、ＬＥＤ１６から遠くなる。表面４１は、図５において、ＬＥＤ１６の上面及び波長変換領域１８の上面の両方に接触するように示されているが、ある実施形態では、一方又は両方の面に接触する必要はない。光線４３によって示される様に、ＬＥＤ１６から発せられた光は、ＬＥＤ１６から離れて波長変換領域１８へ向かうように表面４１に反射される。表面４１は、図５に示される様に曲線状又は平坦でもよく、曲線状部分及び平坦部分の両方を含んでもよい。ある実施形態では、上部の波長変換領域３６が除去されてもよく、波長変換材料が領域４２内に配置されてもよい。
図７は、図５に見られるのと同じ形状を有する反射領域３８を含むシステムを示す。図７では、図５の領域４２が除去され、反射領域３８の表面４１は、光共振器１０の上面を形成する。波長変換領域３６は、共形コーティング、即ち実質的に均一な厚さを有するコーティングとして、反射領域３８の上に形成される。例えば、図７における波長変換領域３６の厚さは、５０％未満で変動し得る。図７に示された構造体は、基板１４、ＬＥＤ１６、及び波長変換領域１８上に光共振器１０を成形し、その後、光共振器１０上に波長変換領域３６を成形する、又は予め形成された可撓性波長変換シートを光共振器１０上にプレスする事によって形成され得る。図５の場合の様に、反射領域３８は、図７に示された形状そのものを有する必要はない。
図６に示された反射領域３８は、ＬＥＤ１６の中心上部付近の光共振器１０の領域から波長変換領域３６に向けて上方にＬＥＤ１６から離れるように対角線上に上昇する表面４７を有する。表面４７は、共振器１０の上部における底面から共振器１０の上部の下方且つＬＥＤ１６の上方に位置付けられた点に向けて延在する逆円錐又は角錐等の突起部とも考えられ得る。表面４７は、図６では、ＬＥＤ１６の上面から間隔を空けて示されているが、ある実施形態ではＬＥＤ１６に接触してもよい。光線４５によって示される様に、ＬＥＤ１６から発せられた光は、ＬＥＤ１６から離れるように及び波長変換領域１８に向けて表面４７から反射される。表面４７は、図６に示される様に平坦又は曲線状でもよく、曲線状部分及び平坦部分の両方を含んでもよい。
ある実施形態では、図５及び６に示された構造体は、反射領域３８の上部（図５では４２、図６では４４）及び反射領域３８の底部（共振器１０）間の表面４１及び４７における屈折率の差を生じさせる事によって、内部全反射によって反射する。反射領域３８は内部全反射によって反射するので、臨界角未満の角度で表面４１及び４７に入射する光は、反射されるのではなく、表面を透過する。これらの構造体は、ある実施形態では成形（モールディング）されてもよい。例えば、図５の構造体は、共振器１０が空気であり、且つ領域４２が成形材料、シリコーン、又は任意の他の適切な材料であるように、波長変換領域３６又は透明カバー等の別の適切な構造体上に成形され、その後、基板１４上に配置されてもよい。図６の構造体は、領域４４が空気であり、且つ共振器１０が成形材料、シリコーン、又は任意の他の適切な材料であるように、基板１４上に成形されてもよい。ある実施形態では、反射領域３８を形成する屈折率の差は、空気と、ガラス又は共振器１０を形成するのに適切であると上述された材料の何れかとの間のものである。例えば、領域４２及び４４がガラスでもよく、且つ共振器１０が空気でもよく、又は領域４２及び４４が空気でもよく、且つ共振器１０がガラスでもよい。図５及び６に示された表面を形成する２つの材料間の屈折率の差は、ある実施形態では少なくとも０．４、ある実施形態では少なくとも０．５、ある実施形態では少なくとも０．８、及びある実施形態では少なくとも１でもよい。ある実施形態では、図５及び６に示された反射領域３８は、反射性材料を用いて形成又はコーティングされる。
図４に戻って、ある実施形態では、波長変換及び／又は散乱材料が、光共振器１０の両側面上に配置される。例えば、波長変換領域４０は、共振器１０の側壁上に形成されてもよい。波長変換領域は、シリコーン等の透明材料と混合され、その後共振器１０の側面上にコーティングされた、共振器１０の側面に隣接して配置された透明シートの材料上に配置された、又は共振器１０の側面に取り付けられる膜に形成された蛍光体等の波長変換材料を含み得る。波長変換領域４０に遭遇した光は、吸収される及び異なる波長で再発光される又は反射される。
本発明の実施形態は、利点を有し得る。波長変換材料の少なくとも一部が低温に維持される事が可能なように基板１４上等に配置されるので、波長変換材料が加熱を受けるシステムと比較してシステムの効率を向上させる事ができる。高効率を維持しながら、システムによって抽出される光の角度に対する色の変動を最小限に抑える事ができる。加えて、変換された光の一部は、混合された光の色点が波長変換領域の形成における小さなプロセス変動の影響を受けない事が可能であるように、波長変換材料の装填及び波長変換領域の厚さとは無関係にされ得る。
本発明を詳細に説明したが、当業者は、本開示内容を与えられれば、本明細書に記載された発明概念の精神から逸脱する事無く、本発明に変更が行われ得る事を理解するであろう。例えば、新規の実施形態を作る為に、異なる実施形態の異なる要素が組み合わせられてもよい。従って、本発明の範囲が図示及び記載された具体的な実施形態に限定される事は意図されていない。

Claims (20)

  1. 基板に取り付けられた半導体発光ダイオードと、
    前記基板上に配置された波長変換材料の第１の領域であって、前記波長変換材料は、前記半導体発光ダイオードによって発せられた光を吸収する及び異なる波長で光を発し、前記第１の領域において、前記波長変換材料は前記基板の表面全体を覆う、第１の領域と、
    光共振器であって、前記基板が前記光共振器の底面に近接して配置される、光共振器と、
    前記光共振器の上面に近接して配置された波長変換材料の第２の領域と、
    を含む構造体。
  2. 前記第１の領域の前記波長変換材料と前記基板との間の経路は、熱伝導性である、請求項１に記載の構造体。
  3. 前記基板はヒートシンクである、請求項１に記載の構造体。
  4. 前記基板は、０．１Ｗ／ｍＫ〜４００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する、請求項１に記載の構造体。
  5. 前記波長変換材料は、第１の波長の光を発する事が可能な第１の波長変換材料及び第２の波長の光を発する事が可能な第２の波長変換材料を含み、
    前記第１及び第２の領域の各々は、前記第１及び第２の波長変換材料の混合物を含む、請求項１に記載の構造体。
  6. 前記第１の領域は、第１の波長の光を発する事が可能な第１の波長変換材料を含み、
    前記第２の領域は、第２の波長の光を発する事が可能な第２の波長変換材料を含む、請求項１に記載の構造体。
  7. 前記第１の波長変換材料は赤色光を発し、前記第２の波長変換材料は緑色及び黄色光の１つを発する、請求項６に記載の構造体。
  8. 前記第１の波長変換材料は、前記第２の波長変換材料によって発せられた光を吸収する及び異なる波長の光を発する事ができる、請求項６に記載の構造体。
  9. 熱に曝されたときの前記第１の波長変換材料の性能が、熱に曝されたときの前記第２の波長変換材料の性能と比較してより低下される、請求項６に記載の構造体。
  10. 前記光共振器の前記上面に近接して配置された光散乱構造体を更に含む、請求項１に記載の構造体。
  11. 前記光共振器は、固体透明材料を含む、請求項１に記載の構造体。
  12. 前記光共振器内に配置された光散乱材料の粒子を更に含む、請求項１に記載の構造体。
  13. 前記光共振器の側面に近接して配置された波長変換材料の第３の領域を更に含む、請求項１に記載の構造体。
  14. 前記半導体発光ダイオードと位置合わせされた前記光共振器の前記上面に近接する第１の領域が、前記半導体発光ダイオードと位置合わせされていない前記光共振器の前記上面に近接する第２の領域と比較してより反射性が高い、請求項１に記載の構造体。
  15. 前記半導体発光ダイオードが第１の半導体発光ダイオードであり、前記構造体が前記基板に取り付けられた第２の半導体発光ダイオードを更に含み、前記波長変換材料の前記第１の領域が、前記第１及び第２の半導体発光ダイオード間に配置される、請求項１に記載の構造体。
  16. 基板に取り付けられた半導体発光ダイオードと、
    前記基板上に配置された波長変換材料の第１の領域であって、前記波長変換材料は、前記半導体発光ダイオードによって発せられた光を吸収する及び異なる波長で光を発する、第１の領域と、
    光共振器であって、前記基板が前記光共振器の底面に近接して配置される、光共振器と、
    前記光共振器の上面に近接して配置された波長変換材料の第２の領域と、
    前記半導体発光ダイオード上部に配置された反射面であって、反射された光を前記半導体発光ダイオードから離れるように指向させる反射面と、
    を含む構造体。
  17. 前記反射面は、内部全反射によって反射する屈折率の差異を含む、請求項１６に記載の構造体。
  18. 前記反射面は、前記半導体発光ダイオードの上面の法線に対して回転対称である、請求項１６に記載の構造体。
  19. 前記反射面は、前記光共振器の前記上面に近接する底面から延在する逆円錐である、請求項１６に記載の構造体。
  20. 前記波長変換材料の第２の領域は、前記反射面を共形的にコーティングする、請求項１６に記載の構造体。
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