JP2016219821A - 波長変換型発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に光りを放出する波長変換型半導体発光デバイスを提供する。
【解決手段】波長変換型半導体発光デバイスは、第１のピーク波長を有する第１の光を放射することが可能な半導体発光デバイス１０と、第１の光を吸収して第２のピーク波長を有する第２の光を放射することが可能な半導体波長変換素子１２とを含む。半導体波長変換素子１２は、支持体５１に取り付けられ、且つ半導体発光デバイス１０によって放射された光の経路内に配置される。半導体波長変換素子１２は、半導体波長変換材料の少なくとも２つの第１領域４６と、少なくとも２つの第１領域間に配置された、他の半導体波長変換材料を有する少なくとも１つの第２領域５０とを含む。
【選択図】図８

Description

本発明は、波長変換型半導体発光デバイスに関する。

現在利用可能な最も効率的な光源の中に、発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振器型（resonant cavity）発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、縦型共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）及び端面発光レーザを含む半導体発光デバイスがある。可視スペクトルで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ある材料系は、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。典型的に、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又はその他のエピタキシャル技術により、サファイア、炭化シリコン（シリコンカーバイド）、ＩＩＩ族窒化物若しくは複合材の基板、又はその他の好適な基板の上に、異なる組成及びドーパント濃度の複数の半導体層のスタック（積層体）をエピタキシャル成長することによって製造される。スタックは、しばしば、基板上に形成された、例えばＳｉでドープされた１つ以上のｎ型層と、該１つ以上のｎ型層上に形成された活性領域内の１つ以上の発光層と、活性領域上に形成された、例えばＭｇでドープされた１つ以上のｐ型層とを含んでいる。これらｎ型領域及びｐ型領域の上には、電気コンタクトが形成される。

図１は、特許文献１にて更に詳細に記載されているＬＥＤを例示している。発光領域を含む半導体構造１３０が、接触面によってセラミック蛍光体５２に取り付けられている。コンタクト１８及び２０が、半導体構造１３０に形成され、金属接点１３４によってパッケージ素子１３２に接続されている。一部の形態において、パッケージ素子１３２とセラミック蛍光体との間に配置される全ての層（レイヤ）で、１００ミクロン未満の厚さを有する。図１は、双方のコンタクト１８及び２０が半導体構造の同じ側に形成されてフリップチップ構成でパッケージ素子１３２上にマウントされた半導体構造１３０を示しているが、他の実施形態においては、セラミック蛍光体５２の一部が除去されて、コンタクト１８とコンタクト２０とが互いに半導体構造１３０の反対側に形成されてもよい。

先出の特許文献１は、上述の形態で効率的に光を生成するために、例えば主発光層によって放出される光の高い吸収及び高い量子効率など、所望の蛍光体特性を有するルミネセント材料が用いられ得ることを教示している。発光領域によって放出される波長において屈折率の大きい虚部ｋを有し、且つ変換後の波長において無視できるｋを有する波長変換材料、例えば一部のＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族の半導体、が蛍光体に代えて使用され得る。特に、適当な材料では、主発光領域によって放出される波長においてｋは０．０１より大きく、より好ましくは０．１より大きく、更に好ましくは１より大きい。例えばテクスチャリング、粗面加工、又は成形などの、ルミネセント材料から光を抽出する手段が設けられ得る。

米国特許第７３４１８７８号明細書

本発明の１つの目的は、効率的に光を放出する波長変換型半導体発光デバイスを提供することである。

本発明の実施形態は、第１のピーク波長を有する第１の光を放射することが可能な半導体発光デバイスと、前記第１の光を吸収して第２のピーク波長を有する第２の光を放射することが可能な半導体波長変換素子とを含む。前記半導体波長変換素子は、支持体に取り付けられ、且つ前記半導体発光デバイスによって放射された光の経路内に配置される。前記半導体波長変換素子は、半導体波長変換材料の少なくとも２つの第１領域と、該少なくとも２つの第１領域間に配置された、半導体波長変換材料を有しない少なくとも１つの第２領域とを含むようにパターニングされる。

本発明の実施形態は、第１のピーク波長を有する第１の光を放射することが可能な半導体発光デバイスと、前記第１の光を吸収して第２のピーク波長を有する第２の光を放射することが可能な半導体波長変換素子とを含む。前記半導体波長変換素子は、前記半導体発光デバイスによって放射された光の経路内に配置され、且つ半導体波長変換材料の少なくとも２つの第１領域と、該少なくとも２つの第１領域間に配置された、半導体波長変換材料を有しない少なくとも１つの第２領域とを含むようにパターニングされる。前記少なくとも１つの第２領域内に波長変換素子が配置され、該波長変換素子は、前記第１の光を吸収して第３のピーク波長を有する第３の光を放射することができる。

本発明の実施形態は、第１のピーク波長を有する第１の光を放射することが可能な第１の発光デバイスと、第２のピーク波長を有する第２の光を放射することが可能な第２の発光デバイスとを含む。前記第２の発光デバイスは、第３のピーク波長を有する第３の光を放射することが可能な半導体発光デバイスと、前記第３の光を吸収して前記第２の光を放射することが可能な半導体波長変換素子とを含む。

半導体波長変換素子は、優れた演色及び高い発光出力のための、効率的で狭スペクトルの波長変換を提供し得る。

ＬＥＤに取り付けられたセラミック蛍光体層を含む従来技術に係るデバイスを例示する図である。 薄膜フリップチップ半導体発光デバイスを例示する図である。 縦型半導体発光デバイスを例示する図である。 半導体波長変換素子、必要に応じての第２の波長変換素子及び必要に応じての光抽出素子と組み合わされたＬＥＤを例示する図である。 半導体波長変換素子の一例を示す図である。 白色光を生成する光源を例示する図である。 パターニングされた半導体波長変換素子を備えたデバイスを例示する図である。 支持部材上に形成されたパターニングされた半導体波長変換素子を備えたデバイスを例示する図である。 或るパターンで形成された複数の波長変換素子を備えたデバイスを例示する図である。 蛍光体及び半導体波長変換素子の放出スペクトルを例示する図である。

本発明の実施形態においては、半導体発光デバイスに半導体波長変換素子が組み合わされる。以下の例では、半導体発光デバイスは青色光又はＵＶ光を放出するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであるが、ＬＥＤ以外の例えばレーザダイオードなどの半導体発光デバイスや、例えばその他のＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩＩ族リン化物、ＩＩＩ族ヒ化物、ＩＩ−ＶＩ族材料又はＳｉベース材料などのその他の材料系から製造される半導体発光デバイスも使用され得る。

如何なる好適なＬＥＤが使用されてもよい。図２及び３は、好適なＬＥＤ１０の２つの例を示している。図２及び３に示されるデバイスを製造するため、成長基板上に半導体構造２２が成長される。半導体構造２２は、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた発光領域すなわち活性領域を含む。先ずｎ型領域が成長される。このｎ型領域は、異なる組成及びドーパント濃度の複数の層を含み得る。該複数の層は、例えば、ｎ型あるいは意図的にはドープされないものとし得るバッファ層若しくは核生成層などのプリパレーション層と、発光領域が効率的に発光するのに望ましい特定の光学特性若しくは電気特性に合わせて設計されるｎ型若しくはｐ型のデバイス層とを含み得る。ｎ型領域上に、発光領域又は活性領域が成長される。好適な発光領域の例には、単一の厚い、あるいは薄い発光層や、バリア層によって分離された複数の薄い、あるいは厚い発光層を含んだマルチ量子井戸発光領域が含まれる。発光領域上に、ｐ型領域が成長され得る。上記ｎ型領域と同様に、このｐ型領域は、異なる組成、厚さ及びドーパント濃度の複数の層を含むことができ、意図的にはドープされていない層又はｎ型層を含んでいてもよい。

図２に示されるように、ｐ型領域上にｐコンタクトメタル２６が堆積され、メタライゼーションのためにｎ型層を露出させるよう、ｐ型領域及び活性領域の一部がエッチング除去され得る。この実施形態のｐコンタクト２６及びｎコンタクト２４は、デバイスの同じ側にある。図２に示されるようにｐコンタクト２６は複数のｎコンタクト領域２４の間に堆積され得るが、これは必ずしも必要でない。一部の実施形態において、ｎコンタクト２４及びｐコンタクト２６の一方又は双方が反射性であり、図２に示される向きでデバイスの頂部を介して光が抽出されるようにデバイスがマウントされる。一部の実施形態において、これらコンタクトは広がり範囲を制限されたり透明にされたりすることができ、デバイスは、コンタクトが形成された表面を介して光が抽出されるようにマウントされ得る。半導体構造はマウント２８に取り付けられている。成長基板は、図２に示されるように除去されてもよいし、デバイスの一部として残されてもよい。一部の実施形態において、成長基板を除去することによって露出される半導体層はパターニングあるいは粗面加工され、それによりデバイスからの光抽出が向上され得る。

図３に示す縦型ＬＥＤにおいては、半導体構造の一方側にｎコンタクトが形成され、半導体構造の他方側にｐコンタクトが形成される。例えば、ｐ型領域上にｐコンタクト２６が形成され、ｐコンタクト２６を介してデバイスがマウント２８に取り付けられ得る。基板の全て又は一部が除去され、基板の一部を除去することによって露出されたｎ型領域の表面にｎコンタクト２４が形成され得る。ｎコンタクトへの電気コンタクトは、図３に示されるようにワイヤボンドを用いて、あるいはその他の好適な構造を用いて為され得る。

ＬＥＤ１０から放射される光の経路内に半導体波長変換素子が配設される。半導体波長変換素子は、デバイス内の唯一の波長変換素子であってもよく、あるいは、例えば蛍光体、量子ドット、その他の半導体波長変換素子、又は染料などのその他の波長変換材料と組み合わされてもよく、白色光又はその他の色の単色光を作り出し得る。その他の波長変換素子は、例えば、ＬＥＤに接着あるいは接合された、あるいはＬＥＤから離隔された、プリフォームされたセラミック蛍光体層、又は、ＬＥＤ上にステンシルされ、スクリーン印刷され、インクジェット印刷され、スプレー塗布され、沈殿され、蒸着され、スパッタリングされ、あるいはその他の方法でディスペンスされた無機又は有機のカプセル材料内に配置された粉末蛍光体若しくは量子ドットとし得る。波長変換素子は、ＬＥＤによって放射された光を吸収して、異なる波長の光を放出する。ＬＥＤによって放射された光の全て、又はその一部のみが、波長変換材料によって変換され得る。変換されないＬＥＤからの放射光は、必ずしもそうである必要はないが、最終的な光スペクトルの一部となり得る。半導体波長変換素子は、吸収した光を異なる波長の光へと効率的に変換し得る。半導体波長変換素子によって放出される光は、従来の蛍光体によって放出される光より狭いスペクトル幅を有し得る。より狭いスペクトル幅は、良好な演色及び高い発光効率を有する白色光放出デバイスを作り出す上で、特に赤色を放出する半導体波長変換素子の場合に有利となり得る。

一般的な組合せの例には、黄色を放出する波長変換材料と組み合わされた青色発光ＬＥＤ、緑色及び赤色を放出する波長変換材料と組み合わされた青色発光ＬＥＤ、青色及び黄色を放出する波長変換材料と組み合わされたＵＶ発光ＬＥＤ、並びに、青色、緑色及び赤色を放出する波長変換材料と組み合わされたＵＶ発光ＬＥＤが含まれる。デバイスから放射される光のスペクトルを調整するために、その他の色の光を放出する波長変換材料が追加されてもよい。好適な波長変換材料の例には、（Ｌｕ，Ｙ，Ｇｄ）_３（ＡｌＧａ）_５Ｏ_１２：ＣｅＰｒ、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）Ｓｉ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ：Ｅｕ^２＋（ｘ＝１．５−２．５，ｙ＝１．５−２．５，ｚ＝１．５−２．５）、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、及びＳｒＳｉ_２Ｎ_２Ｏ_２：Ｅｕ^２＋がある。

図４は、ＬＥＤ１０と半導体波長変換素子１２とを含む本発明の一実施形態を例示している。半導体波長変換素子１２は、少なくとも１つのエピタキシャル成長半導体層である。電気的にポンプされるＬＥＤ１０の活性領域（ｎコンタクト及びｐコンタクトを介して順バイアスされるときに発光することを意味する）とは異なり、半導体波長変換素子は光的にポンプされる（第１の波長の光（ＬＥＤ１０の活性領域からの光）を吸収し、それに応答して、より長い波長の第２の光を放射することを意味する。半導体波長変換素子１２は、電気的には受動的であるので、メタルコンタクトに接続される必要はない。他の例では、半導体波長変換素子１２は、導電性であるようにドープされて、ＬＥＤ１０のｎコンタクト又はｐコンタクトの電気導通経路の一部を成してもよい。

半導体波長変換素子１２は、ＬＥＤ１０上又は別個の成長基板上に成長される。一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２は、ＬＥＤ１０の成長及び処理から独立に、別個の成長基板上に成長される。半導体波長変換素子１２は、必要に応じての接合層１１によってＬＥＤ１０に接合されてもよいし、接合層の介在なしに直接的にＬＥＤ１０に接合されてもよい。ＬＥＤ１０又は別の機械的支持構造への接合後、半導体波長変換素子１２の成長基板は、デバイスの一部として残されてもよいし、例えばエッチング、研削、又はレーザ溶融・リフトオフなどの好適技法によって除去されてもよい。

一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２は単一の発光層である。図５は、多層の半導体波長変換素子１２を例示している。図５に示す構造においては、３つの発光層３２がバリア層３４によって分離されている。より多数あるいは少数の発光層３２が使用されてもよい。例えば、発光層３２及びバリア層３４は多重量子井戸又は超格子構造を形成してもよい。発光層３２及びバリア層３４は、２つの必要に応じてのクラッド層又は閉じ込め層３０の間に配置されている。閉じ込め層３０は、バリア層３４と同じ組成、ドーピング及び厚さを有していてもよいし、異なっていてもよい。一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２の発光領域３３は、例えば二重ヘテロ構造又は単一量子井戸ヘテロ構造として２つのクラッド層３０の間に配置された単一の発光層３２である。

半導体波長変換素子１２は、ＬＥＤ１０からの光を最小限の損失で効率的に変換あるいは伝達し、且つ変換された光の出力を最大化するため、例えば閉じ込め層３０及びバリア層３４などの非発光層内での吸収を最小化するように設計され得る。総変換の場合、ＬＥＤ１０（例えば、ＵＶ、青色、緑色及び／又は黄色）によって放射されて半導体波長変換素子１２に入射する全光子が吸収されて、損失を最小化して変換効率を最大化しながら、変換された光（例えば、緑色、黄色、及び／又は赤色）の光子を生成し得る。

閉じ込め層３０、バリア層３４及び発光層３２は何れも、ＬＥＤ１０からの光を吸収することが可能であるが、概して発光層のみが光を放出する。従って、一部の実施形態において、光を放出しない閉じ込め層及びバリア層の厚さに対して発光層の厚さを最大化することが望ましい。半導体波長変換素子の総厚は、ベール（Ｂｅｅｒ）の法則Ｉ_transmited＝Ｉ_ｏｅ^−αｘを介して、波長変換素子によって吸収されるＬＥＤ１０からの光の量に影響を及ぼす。ただし、ｘは光吸収材料（半導体波長変換素子）の厚さであり、αは吸収係数である。波長変換素子が過度に厚い場合、ＬＥＤ１０からの光は通り抜けないことになる。一部の実施形態において、発光層は、非放射性の再結合中心として作用する欠陥を含んでいる。発光層が過度に厚い場合、非放射性再結合が放射性再結合より支配的になり、半導体波長変換素子の効率を望ましくないほどに低いものにし得る。さらに、一部の実施形態において、閉じ込め層はキャリア再結合のシンクとして作用する表面を有する。閉じ込め層が過度に薄い場合、キャリアは発光層から逃げ出して閉じ込め層の表面まで拡散することができ、そこで非放射的に再結合して、半導体波長変換素子の効率を低下させてしまう。

半導体波長変換素子の表面パッシベーションは、表面状態の密度を低減して表面再結合を低減し得る。表面パッシベーションは、高い表面再結合速度（例えば、Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐで１０^６ｃｍ／ｓのオーダー）を有し得る高Ａｌ含有量の閉じ込め層の場合に特に重要となり得る。半導体波長変換素子の表面パッシベーションは、半導体表面のダングリングボンド及び欠陥を不動態化して表面再結合を抑制し得る。好適な表面パッシベーション材料及び技術の例には、例えば（ＮＨ_４）_２Ｓ_ｘ処理を適用された硫黄、水素パッシベーション、酸素パッシベーション、窒素パッシベーション、及び自然酸化膜形成がある。

一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２内の例えば閉じ込め層３０又はバリア層３４などの少なくとも１つの非発光層は、例えばＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ又はＡｌＩｎＰなど、アルミニウムを含有するＩＩＩ族リン化物材料又はＩＩＩ族ヒ化物材料である。ＡｌＩｎＧａＰ層又はＡｌＩｎＰ層のＡｌ含有率は高くし得る（例えば、Ａｌ≧５０％）。バリア層３４及び／又はクラッド層３０は、意図的にはドープされない、あるいは低濃度（例えば、１０^１８ｃｍ^−３未満のドーパント濃度）にｎドープされたＡｌＩｎＧａＰ層又はＡｌＩｎＰ層とし得る。これらバリア層３４及びクラッド層３０は、薄いことが好ましく、例えば、一部の実施形態において２０００Å厚未満にされ、一部の実施形態において１０００Å厚未満にされる。一部の実施形態において、ＬＥＤ１０に近い側の閉じ込め層３０は１０００Å厚未満である。ＬＥＤ１０とは反対側の閉じ込め層３０は、より厚くされてもよく、例えば１μｍ又はそれより厚くされることができる。一部の実施形態において、発光層３２は、ＧａＡｓに格子整合される（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐである。このような発光層は緑色から赤色までの波長（ｘ＝１でのおよそ５３００Å又は２．３３ｅＶからＸ＝０での６６００Å又は１．８９ｅＶ）をカバーする。例えばＧａＡｓに対して４％の格子不整合を有するＧａＰが、閉じ込め層３０、バリア層３４又は発光層３２として使用されてもよい。半導体波長変換素子内の全ての発光層の総厚は、一部の実施形態において１０ｎｍと３μｍとの間であり、一部の実施形態において２０ｎｍと１μｍとの間であり、一部の実施形態において少なくとも１０ｎｍであり、一部の実施形態において５０ｎｍと１００ｎｍとの間である。

一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２の少なくとも１つの発光層３２は、ＩｎＰに密に格子整合される例えばＣｄＭｇＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であり、これは青色から赤色（４６００Åから６３００Å）の波長範囲をカバーする。好適な発光層３２の例は米国特許出願公開第２００７／０２８４５６５号に記載されている。なお、この文献をここに援用する。ＩＩ−ＶＩ族の一実施形態において、閉じ込め層３０は、ポンプ波長に対して透明であるように組成が調整される（例えば、Ｃｄ_０．２４Ｍｇ_０．４３Ｚｎ_０．３３Ｓｅは２．９ｅＶ又は４２８０Åのバンドギャップを有する）場合に、より厚くされ得る。バリア３４は例えば、ポンプを吸収するように正確に調整されることができる（例えば、Ｃｄ_０．３５Ｍｇ_０．２７Ｚｎ_０．３８Ｓｅは２．６ｅＶ又は４８００Åのバンドギャップを有する）。１つ以上の発光層３２は、所望の変換後の波長に対して正確に調整され得る（例えば、２．３ｅＶ又は５４００Åの緑色を放出するＣｄ_０．３３Ｚｎ_０．６７Ｓｅから１．９ｅＶ又は６５５０Åの赤色で放出を行うＣｄ_０．７０Ｚｎ_０．３０Ｓｅ）。上述のＩＩＩ−Ｖ族の実施形態と同様に、ＩＩ−ＶＩ族波長変換器は、例えば多重量子井戸構造、超格子、単一層、二重ヘテロ構造、又は単一量子井戸ヘテロ構造である発光領域を有し得る。

一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２は、構造体に厚さ及び機械的堅牢性を追加する支持体３５を含む。例えばサファイア、ガラス、ＳｉＣ、ＳｃＡｌＭｇＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＰ、セラミック、セラミック蛍光体、ガラス内の蛍光体若しくは散乱材料、又はポリマーなど、比較的に透明、半透明、散乱性、あるいは波長変換型の材料が使用され得る。このような実施形態において、半導体波長変換素子の総厚は２０μｍ又はそれより厚くされ得る。他の実施形態において、半導体波長変換素子１２の総厚は５μｍ又はそれ未満である。一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２は、セラミック蛍光体を有する支持体３５を含む。一部の実施形態において、支持体３５は、例えばレンズなどの光学素子である。例えば、支持体３５は半球レンズ又はフレネルレンズとし得る。一部の実施形態において、例えば支持体３５がレンズである場合、支持体３５の直径は、ＬＥＤ１０の一辺又は対角線の長さより大きくし得る。

半導体波長変換素子１２は、ＬＥＤ１０、支持体３５、又は例えばセラミック蛍光体などのその他の層若しくは材料に取り付けられる自立構造であってもよい。半導体波長変換素子材料はまた、劈開、破砕、粉末化あるいは粉挽きされて、例えばシリコーンやゾルゲルなどのバインダ、又は例えば以下に列挙するものなどの接合材料若しくは層に付加されてもよい。半導体波長変換素子１２は量子ドット又はナノ粒子であってもよい。

接合層１１は、如何なる好適材料であってもよく、例えば、塩化鉛、臭化鉛、フッ化カリウム、フッ化亜鉛、アルミニウムの酸化物、アンチモン、ビスマス、ホウ素、鉛、リチウム、リン、カリウム、シリコン、ナトリウム、テルル、タリウム、タングステン、若しくは亜鉛、又はこれらの混合物などとし得る。接合層１１はまた：以下に限られないが、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム及びリン化インジウムガリウムを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体；以下に限られないが、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛及びテルル化亜鉛を含むＩＩ−ＶＩ族半導体；以下に限られないが、ゲルマニウム、シリコン及び炭化シリコンを含むＩＶ族半導体及び化合物；有機半導体；以下に限られないが、アルミニウム、アンチモン、ヒ素、ビスマス、ホウ素、カドミウム、セリウム、クロム、コバルト、銅、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、インジウム錫、鉛、リチウム、モリブデン、ネオジム、ニッケル、ニオブ、リン、カリウム、シリコン、ナトリウム、テルル、タリウム、チタン、タングステン、亜鉛、若しくはジルコニウムの酸化物を含む、酸化物、金属酸化物、及びレアアース酸化物；例えばオキシ塩化ビスマスなどのオキシハロゲン化物；以下に限られないが、カルシウム、鉛、マグネシウム、カリウム、ナトリウム及び亜鉛、のフッ化物、塩化物及び臭化物を含む、フッ化物、塩化物及び臭化物；以下に限られないが、インジウム、マグネシウム、錫及び亜鉛を含む金属；イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、リン化物化合物、ヒ化物化合物、アンチモン化物化合物、窒化物化合物、高屈折率有機化合物；並びにこれらの混合物又は合金を有していてもよい。接合層１１の屈折率は、一部の実施形態において１．５より高く、一部の実施形態において１．６より高く、一部の実施形態において１．７より高く、一部の実施形態において１．８より高く、一部の実施形態において１．９より高く、一部の実施形態において２．０より高く、一部の実施形態において２．１より高く、一部の実施形態において２．２より高くされ得る。

接合層１１は、例えばエポキシなどの伝統的な有機ベースの接着剤を実質的に有しないものとし得る。そのような接着剤は低い屈折率を有する傾向にあるからである。接合層１１はまた、ＬＥＤダイの発光波長において約１．５未満の屈折率を有する材料である低屈折率材料から形成されてもよい。例えばフッ化マグネシウムは１つのそのような接合材料である。低屈折率光学ガラス、エポキシ及びシリコーンも、好適な低屈折率接合材料となり得る。

接合層１１はまた、例えばショット社製ガラスのＬａＳＦＮ３５、ＬａＦ１０、ＮＺＫ７、ＮＬＡＦ２１、ＬａＳＦＮ１８、ＳＦ５９若しくはＬａＳＦ３、又はオハラ社製ガラスのＳＬＡＨ５１若しくはＳＬＡＭ６０、又はこれらの混合物などの、ガラス接合材料から形成されてもよい。接合層１１はまた、例えば（Ｇｅ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｆ，Ｃｌ，Ｉ，Ｂｒ）カルコゲニド又はカルコゲン−ハロゲン化物ガラスなどの、高屈折率ガラスから形成されてもよい。例えばガラス及びポリマーなどの、より低い屈折率の材料が使用されてもよい。例えばシリコーン又はシロキサンなど、高屈折率樹脂及び低屈折率樹脂は何れもの、例えば日本の信越化学工業などの製造者から入手可能である。シロキサン主鎖の側鎖が、シリコーンの屈折率を変化させるように修飾されてもよい。

接合層１１は、蒸着、スパッタリング、化学気相成長、ディスペンス、印刷、スプレイコーティング、スピンコーティング、又はブレードコーティングを含む好適な如何なる方法で設けられてもよい。高屈折率接合材料は、流体の形態で堆積されて、接続の瞬間に至るまで流体のままにされてもよいし、接続の瞬間に部分的に固体状あるいはゲル状であってもよいし、容易な接続を可能にするように、加熱されて粘着力を高める固体であってもよい。高屈折率接合材料は、ゲル状態から硬質樹脂まで変化し得る固化される接合を形成するように反応し得る。

一部の実施形態において、必要に応じて、第２の波長変換素子１４が半導体波長変換素子１２上に配置される。必要に応じての第２の波長変換素子１４は、上述の波長変換材料のうちの何れであってもよい。必要に応じての接合層１５が、第２の波長変換素子１４を半導体波長変換素子１２に付着させ得る。あるいは、第２の波長変換素子１４及び半導体波長変換素子１２は、接合層の介在なしで直接的に接合されてもよいし、互いから離隔されてもよい。接合層１５は、接合層１１に関して上述した材料から上述した方法によって形成され得る。接合層１５は、接合層１１と同じ材料である必要はない。一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２及び第２の波長変換素子１４の位置を逆にして、第２の波長変換素子１４がＬＥＤ１０と半導体波長変換素子１２との間に配置されるようにしてもよい。

一部の実施形態において、ＬＥＤ１０は青色光を放射し、半導体波長変換素子１２は該青色光を吸収して赤色光を放射し、第２の波長変換素子１４は、青色光を吸収して黄色光又は緑色光を放出するセラミック蛍光体プレートである。一部の実施形態において、最も上の波長変換素子（図４に例示される構成では第２の波長変換素子１４）の光退出面（しばしば、頂面）は、光抽出を促進するために、例えば更なるフォトリソグラフィ工程又はインプリント工程を用いて、あるいは用いずに、粗面加工あるいはパターニングされる。

一部の実施形態において、必要に応じて、最も上の波長変換素子の上に光抽出素子１６が配置される。光抽出素子１６の例には、粗面加工あるいはパターニングされた頂面及び／又は底面を有するブロック若しくはプレート、又は、例えばレンズなどの光学素子が含まれる。一部の実施形態において、光抽出素子１６は、第２の波長変換素子１４、半導体波長変換素子１２又はＬＥＤ１０に近く整合された屈折率を有する。必要に応じての接合層１７が、光抽出素子１６を最も上の波長変換素子に付着させ得る。あるいは、それらは、接合層の介在なしで直接的に接合されてもよいし、互いから離隔されてもよい。接合層１７は、接合層１１に関して上述した材料から上述した方法によって形成され得る。接合層１７は、接合層１１及び／又は１５と同じ材料である必要はない。一部の実施形態において、接合層１７の屈折率は、第２の波長変換素子１４又はＬＥＤ１０に近く整合される。光抽出素子１６、及び接合層１７、接合層１１若しくは接合層１５の屈折率は、一部の実施形態において１．５より高く、一部の実施形態において１．６より高く、一部の実施形態において１．７より高く、一部の実施形態において１．８より高く、一部の実施形態において１．９より高く、一部の実施形態において２．０より高く、一部の実施形態において２．１より高く、一部の実施形態において２．２より高くされ得る。光抽出素子１６及び接合層１７の屈折率は、一部の実施形態において２．４以下にされ、一部の実施形態において３．５以下にされ得る。一部の実施形態において、光抽出素子１６は、ＬＥＤ１０より大きくされ、ＬＥＤ１０のエッジの外側まで延在し得る。例えば、光抽出素子１６がレンズである場合、該レンズの直径はＬＥＤ１０の一辺又は対角線の長さより大きくされ得る。

一部の実施形態において、ＬＥＤ１０、半導体波長変換素子１２及び第２の波長変換素子１４のうちの１つ、一部又は全ての上面は、例えば機械的研磨、ドライエッチング、光電気化学エッチング、成形、研削、機械加工、スタンピング、ホットスタンピング、又は化学研磨によって、粗面加工、テクスチャ加工、あるいはパターニングされる。

一部の実施形態において、接合層１１、１５及び１７のうちの１つ以上は、ＬＥＤ１０の活性領域によって放射される光の波長をその他の波長に変換する発光材料を含む。この発光材料は、従来からの蛍光体粒子、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族若しくはＩＩＩ−Ｖ族の半導体、ＩＩ−ＶＩ族若しくはＩＩＩ−Ｖ族の半導体量子ドット若しくはナノ粒子、染料、ポリマー、又は発光する例えばＧａＮなどの材料とし得る。或る接合層が従来からの蛍光体粒子を含む場合、その接合層は、典型的に約５μｍから約５０μｍの大きさを有する粒子を収容するように十分に厚くされるべきである。

一部の実施形態において、半導体波長変換素子１２は、図７、８及び９に例示されるようにパターニングされる。例えば、半導体波長変換素子１２は、半導体波長変換材料の少なくとも２つの第１領域と、それら第１領域間の、半導体波長変換材料が配置されない少なくとも１つの第２領域とを含むようにパターニングされ得る。

図７に示したデバイスにおいて、半導体波長変換素子１２は、波長変換材料の領域４６と、波長変換材料のない領域４８とを形成するようにパターニングされている。半導体波長変換素子１２は、例えばステンシル又はスクリーン印刷若しくはインクジェット印刷によって、特定の領域内にのみ選択的に形成されてもよいし、あるいは、連続した材料シートとして形成されて、例えば従来からのリソグラフィ技術によって、該材料シートから領域４８が除去されてもよい。領域４６によって、波長変換された光が放射され、領域４８では、変換されないＬＥＤ１０からの光が放射される。図７に示したデバイスの一例において、ＬＥＤ１０は青色光を放射し、領域４６は黄色光を放射し、その結果、組み合わされた光は白色に見える。図７に示したデバイスの他の一例において、ＬＥＤ１０は青色光を放射し、領域４６は黄色又は緑色の光を放射し、デバイスは、図７のデバイスから離隔された赤色放出波長変換部材と組み合わされる。図７に示したデバイスの他の一例において、ＬＥＤ１０は青色光を放射し、領域４６は赤色光を放射し、デバイスは、図７のデバイスから離隔された黄色又は緑色を放出する波長変換部材と組み合わされる。青色光と黄色光又は緑色光とへの赤色光の付加は、より暖色の白色光を提供することができ、赤色光を用いないデバイスより良好な演色を提供し得る。

図８に示したデバイスにおいては、パターニングされた半導体波長変換素子１２が、必要に応じての支持部材５１上に形成されている。このパターニングされた半導体波長変換素子１２は、波長変換材料の領域４６とその他の材料の領域５０とを含んでいる。一部の実施形態において、領域５０は、領域４６同士間の間隙を充填した、透明材料、半透明材料、又は例えばシリコーンなどの散乱材料である。一部の実施形態において、領域５０は、異なる色の光を放出する別の波長変換材料である。領域５０は、別の半導体波長変換材料であってもよいし、例えば蛍光体などの別の波長変換材料であってもよい。例えば、領域４６は黄色光又は緑色光を放射し、領域５０は赤色光を放射し得る。あるいは、この逆としてもよい。支持部材は、例えば、例えばセラミック蛍光体などの別の波長変換素子、又は上述のような非波長変換型の支持部材とし得る。図８に示したデバイスの一例において、支持部材５１は、黄色又は緑色の光を放出するセラミック蛍光体であり、領域４６は、赤色光を放出する半導体波長変換素子である。この例において、領域５０は、透明材料であり、あるいは領域４６同士間に間隙を残すように省略される。例えば、ＬＥＤ１０によって放射された青色光が、セラミック蛍光体５１によって放出される黄色光若しくは緑色光、及び半導体波長変換素子１２によって放出される赤色光と結合して、白色光を形成し得る。他の一例において、ＬＥＤ１０によって放射された青色光が、半導体波長変換素子１２によって放出される黄色光若しくは緑色光、及びセラミック蛍光体５１によって放出される赤色光と結合して、白色光を形成し得る。他の一例において、ＬＥＤ１０によって放射されたＵＶ光が、セラミック蛍光体５１によって放出される青色光、及び半導体波長変換素子１２によって放出される黄色光若しくは緑色光と結合して、白色光を形成し得る。支持体５１は、図８に示されるようにＬＥＤ１０とパターニングされた半導体波長変換素子１２との間にあってもよいし、パターニングされた半導体波長変換素子１２を介在させてＬＥＤ１０とは反対側にあってもよい。

図９に示したデバイスにおいて、パターニングされた半導体波長変換素子１２は、３つの異なる領域５０、５２及び５４を含んでいる。一部の実施形態において、３つの領域５０、５２及び５４は全て異なる波長変換材料であり、これらのうちの少なくとも１つが半導体である。一部の実施形態において、領域５０、５２及び５４のうちの２つは相異なる波長変換素子であり、領域５０、５２及び５４のうちの第３の領域は、非波長変換型の透明あるいは半透明な材料であり、あるいは領域５０、５２及び５４のうちの２つの間に材料のない間隙である。一部の実施形態において、２つの異なる波長変換材料の２種類の領域のみが含められ、第３の種類の領域は省略される。図９に示したデバイスの一例において、ＬＥＤ１０は青色光を放射し、領域５２及び５４のうちの一方は半導体波長変換材料であり、領域５２は赤色光を放出する半導体材料又は蛍光体であり、領域５４は黄色又は緑色の光を放出する半導体材料又は蛍光体であり、領域５０は省略される。図９に示したデバイスの他の一例において、ＬＥＤ１０は青色光を放射し、領域５２及び５４のうちの一方は半導体波長変換材料であり、領域５２は赤色光を放出する半導体材料又は蛍光体であり、領域５４は黄色又は緑色の光を放出する半導体材料又は蛍光体であり、領域５０はＬＥＤ１０からの青色光が変換されることなく発せられることを可能にする透明材料又は間隙である。

図７、８及び９に示したパターニングされた半導体波長変換素子は、ここに記載される本発明のその他の特徴と組み合わされ得る。図７、８及び９に示したパターニングされた半導体波長変換素子は、図示のようにＬＥＤ１０上に配置されるのではなく、ＬＥＤ１０から離隔されてもよい。

図６は、白色光を生成する光源を例示している。赤色光を生成するデバイス４１が、緑色光を生成するデバイス４２及び青色光を生成するデバイス４３と組み合わされる。デバイス４１、４２及び４３の何れか又は全てが、上述のデバイスのうちの何れかにされ、あるいは上述の特徴の一部又は全てを含み得る。緑色光及び青色光を生成するデバイス４２及び４３は、例えば、ＩＩＩ族窒化物発光ダイオードとし得る。これらのダイオードからの光は波長変換されてもよいし、されなくてもよい。例えば、緑色光を生成するデバイス４２は、緑色放出波長変換素子と結合された青色発光あるいはＵＶ発光のＬＥＤとし得る。赤色光を生成するデバイス４１は、赤色光を放射する半導体波長変換素子と結合されたＬＥＤを含み、図４及び５を参照して上述したようにされ得る。このＬＥＤは緑色光、青色光又はＵＶ光を放射するものとし得る。半導体波長変換素子は、デバイス４１からの光が赤色に見えるよう、このＬＥＤによって放射された光のうちの十分量が変換されるように構成される。一部の実施形態において、デバイス４１、４２及び４３は全てフリップチップである。

図６の実施形態の一部において、デバイス４３は省略される。例えば、デバイス４１は、デバイス４２によって放射される黄色又は緑色の光と結合される青色光を放射し得る。デバイス４２は、黄色又は緑色の光を放出する蛍光体、セラミック蛍光体又は半導体波長変換素子と結合された青色発光ＬＥＤとし得る。ＬＥＤからの青色光は、デバイスから放出される光のスペクトル内に存在してもよいし、存在しなくてもよい。他の一例において、青色光を放射するデバイス４１及び黄色若しくは緑色の光を放射するデバイス４２が、赤色を放出する蛍光体、セラミック蛍光体又は半導体波長変換素子と結合されて、白色光源が作り出される。他の一例において、黄色又は緑色の光を放射するデバイス４１が、赤色及び青色を放射するデバイス４２と結合されて、白色光源が作り出される。黄色又は緑色の光を放射するデバイス４１は、ＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ族リン化物の発光層によって黄色又は緑色の光を直接的に生成するＬＥＤであってもよいし、黄色又は緑色の光を放出する蛍光体、セラミック蛍光体又は半導体波長変換素子と結合された青色発光ＬＥＤであってもよい。赤色及び青色を放射するデバイス４２は、赤色光を放出する蛍光体、セラミック蛍光体又は半導体波長変換素子と結合された青色発光ＬＥＤとし得る。他の一例において、赤色光を放射するデバイス４１が、黄色若しくは緑色と青色とを放射するデバイス４２と結合されて、白色光源が作り出される。赤色光を放射するデバイス４１は、赤色光を直接的に生成するＬＥＤであってもよいし、赤色光を放出する蛍光体、セラミック蛍光体又は半導体波長変換素子と結合された青色発光ＬＥＤであってもよい。黄色若しくは緑色と青色とを放射するデバイス４２は、黄色又は緑色の光を放出する蛍光体、セラミック蛍光体又は半導体波長変換素子と結合された青色発光ＬＥＤとし得る。

青色、緑色又は黄色を発光するＬＥＤと結合された、赤色光を放射する半導体波長変換素子の使用は、従来の蛍光体では生成困難なスペクトル的に狭い赤色光を作り出すために用いられ得る。スペクトル的に狭い赤色光源は、効率的であり且つ良好な演色を有する白色光源にて使用され得る。図１０は、赤色の蛍光体及び半導体波長変換素子のスペクトルを示している。図１０の太い線は、赤色ニトリドシリケート蛍光体の放出スペクトルであり、約１００ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有している。図１０の細線は、赤色発光半導体波長変換素子の放出スペクトルであり、約２５ｎｍ以下のＦＷＨＭを有している。

ここに記載された半導体波長変換素子と半導体発光デバイスとの組合せは、現状の蛍光体では達成することができない望ましい狭スペクトル幅を有する赤色光を効率的に放射し得る。赤色光を生成する上での蛍光体の制約により、従来の白色光源は、例えば青色光及び緑色光を生成する複数のＩＩＩ族窒化物デバイスを、赤色光を生成するＩＩＩ族リン化物又はＩＩＩ族ヒ化物のデバイスと組み合わせるなど、異なる材料系の複数のデバイスを組み合わせていることが多い。異なる材料系のデバイスは、例えば電流（ドループ）若しくは温度（温／冷因子）の関数としての効率や、順電圧、順方向及び逆方向の電流能力、熱放散、並びに温度対処能力などにおいて、異なる動作特性及び設定を有し得る。また、異なるサイズのフットプリント（設置面積）、異なるチップサイズ、及び例えば縦型チップやフリップチップなどの異なる幾何学構成の、複数のデバイスを混ぜることにより、複雑な事態が生じ得る。対照的に、本発明の実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物デバイスのみから白色光源が形成され得る。半導体波長変換素子と結合されたＩＩＩ族窒化物デバイスによって、スペクトル的に狭い赤色光が生成され得る。この光源は、最適な色、効率、及び動作特性を有するように形成され得る。

本発明を詳細に説明したが、当業者に認識されるように、本開示を受けて、ここに記載の発明概念の精神を逸脱することなく、本発明への変更が為され得る。故に、本発明の範囲は、図示して説明された特定の実施形態に限定されるものではない。

Claims (20)

1. 第１のピーク波長を有する第１の光を放射することが可能な半導体発光デバイス；及び
   前記第１の光を吸収して第２のピーク波長を有する第２の光を放射することが可能な半導体波長変換素子；
   を有し、
   前記半導体波長変換素子は、少なくとも１つのエピタキシャル成長された半導体層を含み；
   前記半導体波長変換素子は、支持体に取り付けられ、且つ前記半導体発光デバイスによって放射された光の経路内に配置され；且つ
   前記支持体は、第３のピーク波長を有する第３の光を放射することが可能なセラミック蛍光体である、
   構造体。
2. 前記半導体波長変換素子は、少なくとも１つの発光層を有し、該少なくとも１つの発光層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びＩＩ−ＶＩ族半導体のうちの一方である、請求項１に記載の構造体。
3. 前記セラミック蛍光体はテクスチャ加工されているか粗面加工されているかの一方である、請求項１に記載の構造体。
4. 前記第２のピーク波長は赤色である、請求項１に記載の構造体。
5. 前記第３のピーク波長は緑色及び黄色のうちの一方である、請求項１に記載の構造体。
6. 前記支持体は、透明、半透明及び散乱性のうちの１つである、請求項１に記載の構造体。
7. 当該構造体は更に光抽出素子を有し、前記半導体波長変換素子は前記半導体発光デバイスと前記光抽出素子との間に配置されている、請求項１に記載の構造体。
8. 前記光抽出素子は、粗面加工あるいはパターニングされた表面を有する透明プレートを有する、請求項７に記載の構造体。
9. 前記半導体波長変換素子は、第１の閉じ込め層と第２の閉じ込め層との間に配置された少なくとも１つの発光層を有する、請求項１に記載の構造体。
10. 前記半導体波長変換素子の表面はテクスチャ加工されているか粗面加工されているかの一方である、請求項１に記載の構造体。
11. 前記半導体波長変換素子の表面は不動態化されている、請求項１に記載の構造体。
12. 第１のピーク波長を有する第１の光を放射することが可能な半導体発光デバイス；及び
    前記第１の光を吸収して第２のピーク波長を有する第２の光を放射することが可能な半導体波長変換素子であり、第１及び第２の発光層と、該第１及び第２の発光層間に該第１及び第２の発光層に直接接触して配置されたバリア層とを有する半導体波長変換素子；
    を有し、
    前記半導体波長変換素子は、少なくとも１つのエピタキシャル成長された半導体層を含み；
    前記半導体波長変換素子は、支持体に取り付けられ、且つ前記半導体発光デバイスによって放射された光の経路内に配置され；且つ
    前記半導体波長変換素子は、半導体波長変換材料の少なくとも２つの第１領域と、該少なくとも２つの第１領域間に配置された、半導体波長変換材料を有しない少なくとも１つの第２領域とを含むようにパターニングされている、
    構造体。
13. 前記第１及び第２の発光層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びＩＩ−ＶＩ族半導体のうちの一方である、請求項１２に記載の構造体。
14. 前記第２のピーク波長は赤色である、請求項１２に記載の構造体。
15. 前記支持体はレンズである、請求項１２に記載の構造体。
16. 前記レンズは半球レンズ及びフレネルレンズのうちの一方である、請求項１５に記載の構造体。
17. 前記レンズの直径は前記半導体発光デバイスの対角線より長い、請求項１６に記載の構造体。
18. 第１のピーク波長を有する第１の光を放射することが可能な半導体発光デバイス；
    前記第１の光を吸収して第２のピーク波長を有する第２の光を放射することが可能な半導体波長変換素子であり：
    該半導体波長変換素子は、少なくとも１つのエピタキシャル成長された半導体層を含み；
    該半導体波長変換素子は、前記半導体発光デバイスによって放射された光の経路内に配置され；且つ
    該半導体波長変換素子は、半導体波長変換材料の少なくとも２つの第１領域と、該少なくとも２つの第１領域間に配置された、半導体波長変換材料を有しない少なくとも１つの第２領域とを含むようにパターニングされている
    半導体波長変換素子；及び
    前記少なくとも１つの第２領域内に配置された波長変換素子であり、前記第１の光を吸収して第３のピーク波長を有する第３の光を放射することが可能な波長変換素子；
    を有する構造体。
19. 前記第２のピーク波長は赤色である、請求項１２に記載の構造体。
20. 前記第３のピーク波長は緑色及び黄色のうちの一方である、請求項１８に記載の構造体。

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