JP2017201012A - 発光デバイス用の波長変換材料 - Google Patents

Abstract

【課題】発光デバイス用の波長変換材料の提供。
【解決手段】発光デバイス用の波長変換材料は、ＡＥ_{３−ｘ１−ｙ＋ｚ}ＲＥ_{３−ｘ２＋ｙ−ｚ}［Ｓｉ_９−ｗＡｌ_ｗ（Ｎ_１−ｙＣ_ｙ）^［４］（Ｎ_{１６−ｚ−ｗ}Ｏ_ｚ＋ｗ）^［２］］：Ｅｕ_ｘ１，Ｃｅ_ｘ２によって規定される波長変換材料。（ＡＥはＣａ，Ｓｒ，Ｂａ；ＲＥ＝Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ，Ｓｃ；０≦ｘ１≦０．１８；０≦ｘ２≦０．２；ｘ１＋ｘ２＞０；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦３；０≦ｗ≦３）立方晶結晶構造を持ち、ＡＥ＋ＲＥの平均有効イオン半径が１２０ｐｍ以下である、波長変換材料。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発光デバイス用の波長変換材料に関する。

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）、垂直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、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、電気コンタクトが形成される。

例えばＬＥＤなどの発光デバイスは、しばしば、例えば蛍光体などの波長変換材料と組み合わされる。特許文献１（ＵＳ２０１０／０２８９０４４Ａ）は、赤色発光蛍光体の望ましい特性を記載している。特に、「＞２００ｌｍ／Ｗの白色ダウンコンバージョンＬＥＤでは、赤色発光のスペクトル位置及び幅が発光効率及び演色を直接的に決定するので、赤色が最も重要なスペクトル成分である。高い効率及び安定性の他に、狭発光の赤色用の好適なＥｕ^２＋ドープされたホスト格子は、以下の要件のうちの少なくとも一部を満たすべきである：
１． 強い共有結合性のアクティベータ ― アクティベータの正味の正電荷を効率的に低下させるにはリガンド相互作用が必要とされる。配位するＮ^［２］リガンドを有する媒質凝集窒化物格子が最も好適であると考えられる。
２． 発光バンドの一様でない広がりを回避するために、ホストは、ホスト構造内に、（ＳｉＡｌＯＮ又はＣａＳｉＡｌＮ_３：Ｅｕで見出されるように）アクティベータイオンに対する唯一の置換格子サイトを含み、統計的なサイト占有を有するべきでない。ホスト格子内に２つ以上の置換格子が存在する場合、発光バンドの重なり合いを回避するために、置換格子サイトは化学的性質において有意に異なるべきである。
３． アクティベータサイトは、励起状態におけるアクティベータの可能な構造緩和モードを制限するために、高い対称性を示すべきである。好ましくは、アクティベータサイトは、励起状態緩和を妨げ、故にストークスシフトを最小化するために、Ｅｕ^２＋よりも大きい（Ｂａサイト）。」と記載されている。

特許文献１は更に、「好ましくは、赤色発光Ｅｕ（ＩＩ）蛍光体はまた、６と８との間のＥｕ（ＩＩ）アクティベータの配位数、及び小さいストークスシフトと組み合わされた赤色発光に必要なＥｕ（ＩＩ）５ｄ準位の強い分離につながるアクティベータ−リガンド構成とを示すべきである。アクティベータ−リガンド接触長さは、範囲２１０−３２０ｐｍ内にあるべきである。換言すれば、好適な赤色蛍光体は、そのリガンドによる赤色発光アクティベータの六重（sixfold）から八重（eightfold）の配位と、２１０−３２０ｐｍ範囲内のアクティベータ−リガンド接触長さとによって特徴付けられる。」と述べている。

米国特許出願公開第２０１０／０２８９０４４号明細書

本発明の一部の実施形態に従った材料の結晶構造を示している。 ＬＥＤの断面図である。 波長変換構造がＬＥＤと直に接触しているデバイスの断面図である。 波長変換構造がＬＥＤと近接しているデバイスの断面図である。 波長変換構造がＬＥＤから離間されているデバイスの断面図である。

本発明の一部の実施形態は、ソリッドステート照明用途に好適な特性を持つ発光性ホスト格子材料を含む。本発明の実施形態は、次式：ＡＥ_{３−ｘ１−ｙ＋ｚ}ＲＥ_{３−ｘ２＋ｙ−ｚ}［Ｓｉ_９−ｗＡｌ_ｗ（Ｎ_１−ｙＣ_ｙ）^［４］（Ｎ_{１６−ｚ−ｗ}Ｏ_ｚ＋ｗ）^［２］］：Ｅｕ_ｘ１，Ｃｅ_ｘ２によって規定される波長変換組成物を含み、ただし、ＡＥ＝Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ、ＲＥ＝Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ，Ｓｃ、０≦ｘ１≦０．１８、０≦ｘ２≦０．２、ｘ１＋ｘ２＞０、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦３、０≦ｗ≦３である。

一部の実施形態に従った波長変換組成物は、立方晶結晶構造、Ｘ^［２］（Ｘ＝Ｎ，Ｏ）原子による１つのＥｕ^２＋ドーパントサイトの立方晶配位、及び星形のＹ（ＳｉＸ_４）_４（Ｙ＝Ｃ，Ｎ）ホスト格子ビルディングブロックによって特徴付けられる。

図１は、本発明の一部の実施形態の結晶構造を示している。図１において、構造１００は、ホスト格子の（Ｓｉ，Ａｌ）Ｎ_４４面体を接続するＸ原子である。構造１０２は、（Ｓｉ，Ａｌ）Ｎ_４４面体である。構造１０４は、ＡＥ及びＲＥ原子によって占有されることができる中心原子位置である。８個の１０４型原子が、１０６型原子の周りの立方晶構成を形成する。

一部の実施形態において、大きいＥｕ（ＩＩ）ドーパントが、Ｎ^［２］リガンドによって形成される立方体によって配位されるＡＥサイト（ワイコフ位置３ｄ）の位置で格子に合体する。それぞれ青色及び赤色のスペクトル域の中の吸収の位置及び発光バンド位置を決定するものであるＥｕ−Ｎ距離は、ＡＥ及びＲＥ原子のサイズとともに増大する。

例えばＢａなどの、より大きいＡＥカチオンの場合、例えばカチオン当たり大きめの平均体積のために、組成ＡＥ_３＋ａＲＥ_１−ａＳｉ_６Ｏ_ａＮ_１１−ａという望ましくない二次相の形成がいっそう起こりやすくなる。特に、例えば、Ｂａ_４−ｘＣａ_ｘＳｉ_６Ｎ_１０Ｏは体積６９．８−７０．５Å^３／カチオンを持ち、ＢａＥｕ（Ｂａ_０．５Ｅｕ_０．５）ＹｂＳｉ_６Ｎ_１１は、体積７１．１Å^３／カチオンを持ち、Ｃａ_３ＲＥ_３［Ｓｉ_９Ｎ_１７］（ＲＥ＝Ｓｍ，Ｙｂ）は体積６４．９−６７．４Å^３／カチオンを持つ。

一部の実施形態において、過度の望ましくない二次相形成を回避するため、ＡＥ＋ＲＥカチオンの平均有効イオン半径（六重（sixfold）配位に関して）は、一部の実施形態において１２０ｐｍを超えるべきでなく、一部の実施形態において１１５ｐｍを超えるべきでなく、そして、一部の実施形態において１１０ｐｍを超えるべきでない。そのような組成の例は、Ｃａ_{２．９８５}Ｙ_３Ｓｉ_９Ｎ_１７：Ｅｕ_{０．０１５}（平均半径〜１０９ｐｍ）、Ｃａ_{１．９８５}Ｌａ_４Ｓｉ_９Ｎ_１６Ｃ：Ｅｕ_{０．０１５}（平均半径〜１１６ｐｍ）、Ｓｒ_{１．９８５}Ｙ_４Ｓｉ_９Ｎ_１６Ｃ：Ｅｕ_{０．０１５}（平均半径〜１１３ｐｍ）、Ｓｒ_２．９８Ｓｃ_３Ｓｉ_９Ｎ_１７：Ｅｕ_０．０２（平均半径〜１１０ｐｍ）、Ｓｒ_２．９８Ｌｕ_３Ｓｉ_９Ｎ_１７：Ｅｕ_０．０２（平均半径〜１１０ｐｍ）、Ｃａ_５．９７Ｓｉ_９Ｏ_３Ｎ_１４：Ｅｕ_０．０３（平均半径〜１１４ｐｍ）である。少量の例えばＥｕ（ＩＩ）又はＣｅ（ＩＩＩ）などのドーピングカチオンは、相対的な相安定性に対して感知できるほどの影響を持たない。

一部の実施形態において、平均カチオンサイズの増大は、高エネルギー側への吸収バンド及び発光バンドのシフトにつながる。青色から赤色のスペクトル域における低エネルギーの吸収バンド及び発光バンドにつながるＮ^［２］リガンドの電子雲膨張（nephelauxetic）効果は、商業的に入手可能なその他のＥｕ^２＋窒化物蛍光体に関して観測されたそれを同等である（表１）。表１に例示されるように、赤色Ｅｕ^２＋発光は、非常に様々なホスト格子環境で得ることができる。配位リガンドの数は、接触長さ、及びリガンドの電子密度は、吸収バンド及び発光バンドの相対的な位置に影響を及ぼす。配位リガンドの数は、ルミネセント原子（一部の実施形態においてＥｕ）のホストとなる原子サイトの周りの、Ｎ又はＯの何れかである最近接原子の数である。接触長さ又は結合長さは、中心原子とリガンドとの間の距離である。特に、ＳｒＬｉＡｌ_３Ｎ_４に存在するような、長い接触長さ、高い配位数、及び第二配位圏カチオンの低い誘起効果は、例えばＣａＳｉＡｌＮ_３に存在するような、短い長さ、低い配位数、及び第二配位圏カチオンの高い誘起効果化学的に同等である。一部の実施形態に従ったホスト格子系のアクティベータサイトの化学的性質の他に、ＡＥサイトの高い対称性が、一部の実施形態に従った材料を、狭バンド発光に特に適したものにする。

［Ｎ^［４］（ＳｉＮ^［２］ _３）_４］単位内の四重（fourfold）接続窒素原子の、（０＜ｙ≦１であるような）［Ｃ^［４］（ＳｉＮ^［２］ _３）_４］に従った炭素による置換、及び二価ＡＥ原子の三価ＲＥ原子による置換の同時置換は、格子の電荷密度ひいては全体的な安定性を高め得る。そのような材料の一例は、Ｃａ_{１．９８５}Ｌａ_４Ｓｉ_９Ｎ_１６Ｃ：Ｅｕ_{０．０１５}である。Ｃ^［４］によるＮ^［４］の部分的又は完全な置換は、六重（sixfold）配位された分裂位置（サイト６ｇ）への望ましくないＥｕ^２＋アクティベータイオンの組み込みの抑圧に寄与し得る。炭素によるＮ^［４］の部分的な置換は、このサイト上の電荷を増大させ得るが、２つの金属サイト上での電荷の再分布が、理論値（六重配位サイトで３に近い値、そして八重配位サイトで２に近い値）にいっそう近い結合原子価の和を有した、より安定なホスト構造をもたらし得る。そのような最適化された構造の例は、０．００４≦ｘ１≦０．０９且つ０＜ｙ≦１であるＣａ_{３−ｘ１−ｙ}ＲＥ_３＋ｙＳｉ_９Ｎ_１−ｙＣ_ｙＮ_１６：Ｅｕ_ｘ１、及びＣａ_２．４９Ｌａ_０．５Ｙ_３Ｓｉ_９Ｎ_１６．５Ｃ_０．５：Ｅｕ_０．０１を含む。

窒素原子の大部分は珪素原子に対して二重接続している（Ｎ^［２］）ので、例えば相Ｂａ_４−ｘＣａ_ｘＳｉ_６Ｎ_１０Ｏで観測されるように、（ｚ＋ｗ＞０であるように）それらを酸素で置換することが可能である。上術の電荷補償と同様に、Ｎサイトに組み込まれた全てのＯについて、三価ＲＥ原子が二価ＡＥ原子によって置換され得る。そのような材料の一例は、Ｃａ_５．９７Ｓｉ_９Ｏ_３Ｎ_１４：Ｅｕ_０．０３である。他の例では、Ｏの組み込みによって導入された電荷が、等電の（Ａｌ，Ｏ）単位による（Ｓｉ，Ｎ）単位のフォーマルな置換であるＳｉＡｌＯＮ形成によって補償され得る。そのような材料の一例は、Ｃａ_{２．９８５}Ｙ_３Ｓｉ_８ＡｌＯＮ_１６：Ｅｕ_{０．０１５}である。

一部の実施形態に従ったＡＥ_{３−ｘ１−ｙ＋ｚ}ＲＥ_{３−ｘ２＋ｙ−ｚ}［Ｓｉ_９−ｗＡｌ_ｗ（Ｎ_１−ｙＣ_ｙ）^［４］（Ｎ_{１６−ｚ−ｗ}Ｏ_ｚ＋ｗ）^［２］］：Ｅｕ_ｘ１，Ｃｅ_ｘ２材料の合成には、好適な如何なる前駆体が使用されてもよく、また、多様な前駆体物質が好適である。例えば、窒化物、水素化物、ケイ化物が使用され得る。アルカリ土類元素の組み込みには、例えば、ＡＥ_３Ｎ_２又はＡＥＨ_２化合物が好適である。例えばイットリウム及びスカンジウムを含む希土類元素の組み込みには、ケイ化物ＲＥＳｉ_２、トリス［Ｎ，Ｎ−ビス（トリメチルシリル）アミド］ＲＥ（ＩＩＩ）、又は窒化物ＲＥＮが好適である。ＴｈＳｉ_２構造型の組成ＡＥ_１−ｘＲＥ_ｘＳｉ_２にて結晶化する混合されたケイ化物も好適である。その他の珪素源は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ペルヒドロポリシラザン、シリコンジミド、珪素又は炭化珪素である。好適なドーパント化合物は、例えば、Ｅｕ_２Ｏ_３若しくはＥｕ_２Ｓｉ_５Ｎ_８、ＣｅＯ_４、ＣｅＦ_３、又は例えばトリス［Ｎ，Ｎ−ビス（トリメチルシリル）アミド］セリウムである。

前駆体物質は、巨視的に一様な粉末の集まりを取得するため、例えばボールミリングによって混合されることができ、これがその後に不活性雰囲気又は還元雰囲気の下で焼成される。このプロセスは例えば、アルゴン雰囲気の下での第１の焼成によって例えば金属間前駆体を形成することと、それを窒素雰囲気又は水素−窒素混合雰囲気の下で更に処理して所望の窒化物蛍光体材料を形成することとで構成され得る。蛍光体の結晶化度を高めるには、最後に例えば１−５０ＭＰａの範囲内の上昇された窒素圧の下で焼成することが特に好適である。

一部の実施形態に従った波長変換組成物の１つの利点は、既知の狭バンド発光材料と比較して、大きいバンドギャップと高い安定性とにつながる高度な格子コンデンセーション、及びルミネセンス特性の精緻な調整を可能にする広い組成調節性である。

一部の実施形態において、光学的に等方性の構造が、例えば優れた光伝播特性により、一部の実施形態に従った材料系を、セラミック蛍光体に形成することに特に有用にする。一部の実施形態に従ったルミネセント材料は、特に、青色ＬＥＤポンプ光を長波長光へと効率的に変換するために適用されることが可能なモノリシックセラミック材料の合成に適している。用語“セラミック”は、ここでは特に、例えば、一部の実施形態において少なくとも５００℃、一部の実施形態において少なくとも８００℃、そして一部の実施形態において少なくとも１０００℃といった温度で、例えば、一部の実施形態において少なくとも０．５ＭＰａ、一部の実施形態において少なくとも１ＭＰａ、一部の実施形態において少なくとも１から約５００ＭＰａ、一部の実施形態において少なくとも５ＭＰａ、そして一部の実施形態において少なくとも１０ＭＰａといった高圧下で、例えば、一軸圧力又は等静圧の下で、（多結晶の）粉末を加熱することによって得ることが可能である無機材料に関する。

一部の実施形態において、セラミックは、例えば上述したような温度及び圧力の条件などの条件下で、特にはポスト焼結ＨＩＰ、カプセルＨＩＰ、又は結合型焼結ＨＩＰプロセスである熱間等静圧プレス（hot isostatic pressing；ＨＩＰ）によって形成される。このような方法によって得ることができるセラミックが、そのまま使用されてもよいし、あるいは、（例えば、研磨すること又は更には再び粒子へと処理することなどによって）さらに処理されてもよい。

一部の実施形態において、一部の実施形態に従った波長変換材料を含んだセラミックは、理論密度（すなわち、単結晶の密度）の、一部の実施形態において少なくとも９０％、一部の実施形態において少なくとも９５％、そして一部の実施形態において９７−１００％の範囲内である密度を有し得る。一部の実施形態において、一部の実施形態に従った波長変換材料を含んだセラミックは、多結晶であり得るが、グレイン間に、縮小された又は大きく縮小された体積（加圧された粒子又は加圧された凝集粒子）を有する。

一部の実施形態において、蛍光体を得るために一軸圧力又は等静圧が適用され得る。本発明の一部の実施形態は、少なくとも所望の波長変換材料を作り出すための開始材料を、少なくとも所望の蛍光体をもたらすことができる比で選択し、特に一軸圧力又は等静圧である（更に特には等静圧である）圧力下で加熱することによって、上述の波長変換材料を生産する方法を含む。波長変換材料は、例えば、一部の実施形態において少なくとも１４００℃で、一部の実施形態において最高約１８００℃までで、そして、大気圧から上述の圧力までの圧力又は一部の実施形態においては更に上の圧力で形成され得る。

一部の実施形態において、上述のような一部の実施形態に従った波長変換材料を含んだセラミックはまた、（ａ）１つ以上のその他のタイプの蛍光体、（ｂ）ここに記載された波長変換材料のうちの１つ以上の合成中に（それぞれ）形成される１つ以上のその他の相、（ｃ）ここに記載された波長変換材料のうちの１つ以上の合成中に（それぞれ）使用される１つ以上の開始材料、（ｄ）ここに記載された波長変換材料のうちの１つ以上の合成中に（それぞれ）使用される１つ以上のフラックス、（ｅ）１つ以上の散乱材料、及び（ｆ）１つ以上のその他の材料（例えばハロゲン化物塩など）を含んでいてもよい。

上述の波長変換材料は、例えば、発光ダイオードを含む光源の中で使用され得る。発光ダイオードによって放たれた光が、本発明の実施形態に従った波長変換材料によって吸収され、そして異なる波長で放出される。図２は、青色光を放つＩＩＩ族窒化物ＬＥＤである好適な発光ダイオードの一例を例示している。

以下の例では、半導体発光デバイスは、青色光又はＵＶ光を発するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであるが、例えばレーザダイオードなどの、ＬＥＤ以外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、ＺｎＯ、又はＳｉ系材料などの、その他の材料系からなる半導体発光デバイスが使用されてもよい。

図２は、本発明の実施形態で使用され得るＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ１を例示している。如何なる好適な半導体発光デバイスが使用されてもよく、本発明の実施形態は、図２に例示されるデバイスに限定されない。図２のデバイスは、技術的に知られているように、成長基板１０上にＩＩＩ族窒化物半導体構造を成長させることによって形成される。成長基板は、サファイアであることが多いが、例えばＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ又は複合基板など、如何なる好適基板であってもよい。ＩＩＩ族窒化物半導体構造が上に成長される成長基板の表面は、成長前にパターン加工、粗面加工、又はテクスチャ加工されてもよく、そうすることはデバイスからの光取り出しを向上させ得る。成長表面とは反対側の成長基板の表面（すなわち、フリップチップ構成において光の大部分がそれを通して取り出される表面）は、成長の前又は後にパターン加工、粗面加工、又はテクスチャ加工されてもよく、そうすることはデバイスからの光取り出しを向上させ得る。

半導体構造は、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた発光領域又は活性領域を含む。先ずｎ型領域１６が成長され得る。ｎ型領域１６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及び／又は成長基板の除去を容易にするように設計される層と、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、材料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型であってもよい、デバイス層とを含み得る。ｎ型領域の上に、発光領域又は活性領域１８が成長される。好適な発光領域の例は、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んだマルチ量子井戸発光領域を含む。次いで、発光領域の上に、ｐ型領域２０が成長され得る。ｎ型領域と同様に、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、該複数の層は、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。

成長後、ｐ型領域の表面上にｐコンタクトが形成される。ｐコンタクト２１は、しばしば、例えば反射メタル及びガードメタルなどの複数の導電層を含む。ガードメタルは、反射メタルのエレクトロマイグレーションを防止あるいは抑制し得る。反射メタルは銀であることが多いが、如何なる好適な１つ以上の材料が使用されてもよい。ｐコンタクト２１を形成した後、ｎコンタクト２２が上に形成されるｎ型領域１６の部分を露出させるよう、ｐコンタクト２１、ｐ型領域２０及び活性領域１８の一部が除去される。ｎコンタクト２２とｐコンタクト２１は、例えばシリコンの酸化物又はその他の好適材料などの誘電体２４で充填され得る間隙２５によって、互いに電気的に分離（アイソレート）される。複数のｎコンタクトビアが形成されてもよく、ｎコンタクト２２及びｐコンタクト２１は、図２に例示される構成に限定されない。ｎ及びｐコンタクトは、技術的に知られているように、誘電体／金属スタックを有するボンドパッドを形成するように再分配されてもよい。

ＬＥＤ１への電気接続を形成するため、１つ以上のインターコネクト２６及び２８が、ｎコンタクト２２及びｐコンタクト２１の上に形成され、あるいはそれらに電気的に接続される。図２では、インターコネクト２６がｎコンタクト２２に電気的に接続されている。インターコネクト２８がｐコンタクト２１に電気的に接続されている。インターコネクト２６及び２８は、誘電体層２４及び間隙２７によって、ｎコンタクト２２及び２１から電気的に分離されるとともに互いから電気的に分離される。インターコネクト２６及び２８は、例えば、はんだ、スタッドバンプ、金層、又はその他の好適構造とし得る。

基板１０は、薄化されたり、あるいは完全に除去されたりしてもよい。一部の実施形態において、薄化することによって露出された基板１０の表面が、光取り出しを向上させるために、パターン加工、テクスチャ加工、又は粗面加工される。

本発明の実施形態に従った光源においては、如何なる好適な発光デバイスが使用されてもよい。本発明は、図２に例示した特定のＬＥＤに限定されるものではない。以降の図においては、例えば図２に例示したＬＥＤなどの光源が、ブロック１によって示される。

図３、４、及び５は、ＬＥＤ１と波長変換構造３０とを組み合わせるデバイスを例示している。波長変換構造は、上述の波長変換材料のうちの１つを含み得る。

図３では、波長変換構造３０がＬＥＤ１に直に接続されている。例えば、波長変換構造は、図２に示した基板１０に、あるいは、基板１０が除去される場合には半導体構造に、直に接続され得る。

図４では、波長変換構造３０は、ＬＥＤ１に近接して配置されているが、ＬＥＤ１に直に接続されてはいない。例えば、波長変換構造３０は、接着剤層３２、小さい空隙、又は何らかのその他の好適構造によって、ＬＥＤ１から離隔され得る。ＬＥＤ１と波長変換構造３０との間の間隔は、例えば、一部の実施形態において５００μｍ未満とし得る。

図５では、波長変換構造３０は、ＬＥＤ１から離間されている。ＬＥＤ１と波長変換構造３０との間の間隔は、例えば、一部の実施形態においてミリメートルのオーダーとし得る。このようなデバイスは、“遠隔蛍光体”デバイスとして参照されることがある。遠隔蛍光体構成は、例えば、ディスプレイ用のバックライトにおいて使用され得る。

波長変換構造３０は、正方形、長方形、多角形、六角形、円形、又は何らかのその他の好適形状とし得る。波長変換構造は、ＬＥＤ１と同じサイズであることもあるし、ＬＥＤ１よりも大きいこともあるし、ＬＥＤ１よりも小さいこともある。

波長変換構造３０は、如何なる好適構造をしていてもよい。波長変換構造３０は、ＬＥＤ１とは別個に形成されてもよいし、あるいはＬＥＤ１とともにその場（インサイチュ）形成されてもよい。

ＬＥＤ１とは別個に形成される波長変換構造の例は、焼結又はその他の好適プロセスによって形成され得るセラミック波長変換構造や、シート状に巻かれ、流し込まれ、あるいはその他の方法で形成されて、その後に個々の波長変換構造へと個片化される、例えばシリコーン若しくはガラスなどの透明材料の中に置かれた粉末蛍光体などの波長変換材料や、ＬＥＤ１の上にラミネート又はその他の方法で配置され得るフレキシブルシートへと形成される例えばシリコーンなどの透明材料の中に置かれた粉末蛍光体などの波長変換材料を含む。

その場形成される波長変換構造の例は、例えばシリコーンなどの透明材料と混ぜ合わされ、且つＬＥＤ１の上にディスペンス、スクリーン印刷、ステンシル、成形、又はその他の方法で配置される粉末蛍光体などの波長変換材料や、電気泳動、気相堆積、又はその他の好適種類の堆積法によってＬＥＤ１上にコーティングされる波長変換材料を含む。

単一のデバイス内で複数の形態の波長変換構造を使用することができる。単なる一例として、セラミック部材と成形部材とにおいて同じ又は異なる波長変換材料を用いて、セラミック波長変換部材が、成形された波長変換部材と組み合わされ得る。

波長変換構造３０は、上述の波長変換材料を含み、該波長変換材料は、波長変換構造内の唯一の波長変換材料であってもよいし、波長変換構造内の複数の波長変換材料のうちの１つであってもよい。波長変換構造３０はまた、例えば、コンベンショナルな蛍光体、有機蛍光体、量子ドット、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族若しくはＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族若しくは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、又は発光するその他の材料をも含み得る。

波長変換材料は、ＬＥＤによって発せられた光を吸収して、１つ以上の異なる波長の光を発する。ＬＥＤによって発せられた未変換の光が、この構造から取り出される光の最終的なスペクトルの一部をなすことが多いが、必ずしもそうである必要はない。一般的な組み合わせの例は、黄色発光の波長変換材料と組み合わされた青色発光のＬＥＤ、緑色発光及び赤色発光の波長変換材料と組み合わされた青色発光のＬＥＤ、青色発光及び黄色発光の波長変換材料と組み合わされたＵＶ発光のＬＥＤ、並びに青色発光、緑色発光及び赤色発光の波長変換材料と組み合わされたＵＶ発光のＬＥＤを含む。構造から取り出される光のスペクトルを調整するために、他の色の光を発する波長変換材料が追加されてもよい。

一部の実施形態において、上述の波長変換材料は、例えば焼結又は何らかの好適方法によって、セラミックに形成される。このようなルミネセントセラミックは、上述の窒化物セラミックで期待される低めの温度消光（サーマルクエンチング）により、例えば自動車用プロダクトのように冷白色を必要とする製品において、ガーネット系ルミネセントセラミックを置き換え得る。焼結されたセラミックの光透過率又は機械的強度のような特性を改善するため、低くされた窒素圧の下での焼結工程が、高くされた圧力の下でのアニール工程によって続かれ得る。窒素ガス雰囲気の一部を水素又はヘリウムで置換することによって、特許請求に係る材料の焼結性を更に高めることができる。例えば、一部の実施形態において、５／９５％ｖ／ｖのＨ_２／Ｎ_２ガス混合内で焼結が実行される。

複数の波長変換材料は、混ぜ合わされてもよいし、別個の構造物として形成されてもよい。

一部の実施形態において、青色発光ＬＥＤが、上述の波長変換材料を有する黄−緑色発光ルミネセントセラミック、及び赤色発光波長変換材料と組み合わされる。白色に見える光をデバイスが放つように、ＬＥＤ、ルミネセントセラミック、及び赤色発光波長変換材料からの光が組み合わさる。

一部の実施形態において、例えば、光学特性を向上させる材料、散乱を促進させる材料、及び／又は熱特性を向上させる材料などの、その他の材料が、波長変換材料に付加されてもよい。

本発明を詳細に説明したが、当業者が認識するように、本開示を所与として、ここに記載の発明概念の精神を逸脱することなく、本発明に変更が為され得る。故に、本発明の範囲は、図示して説明した特定の実施形態に限定されるものではない。

Claims (14)

1. ＡＥ＝Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ、ＲＥ＝Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ，Ｓｃ、０≦ｘ１≦０．１８、０≦ｘ２≦０．２、ｘ１＋ｘ２＞０、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦３、０≦ｗ≦３として、ＡＥ_{３−ｘ１−ｙ＋ｚ}ＲＥ_{３−ｘ２＋ｙ−ｚ}［Ｓｉ_９−ｗＡｌ_ｗ（Ｎ_１−ｙＣ_ｙ）^［４］（Ｎ_{１６−ｚ−ｗ}Ｏ_ｚ＋ｗ）^［２］］：Ｅｕ_ｘ１，Ｃｅ_ｘ２を有する波長変換材料。
2. 当該波長変換材料は立方晶結晶構造を持つ、請求項１に記載の波長変換材料。
3. 当該波長変換材料は、Ｘ^［２］（Ｘ＝Ｎ，Ｏ）原子による１つのＥｕ^２＋ドーパントサイトの立方晶配位を示す、請求項１に記載の波長変換材料。
4. 当該波長変換材料は、星形のＹ（ＳｉＸ_４）_４（Ｙ＝Ｃ，Ｎ）ホスト格子ビルディングブロックを有する、請求項１に記載の波長変換材料。
5. ＡＥ＋ＲＥの平均有効イオン半径は１２０ｐｍ以下である、請求項１に記載の波長変換材料。
6. ０＜ｙ≦１である、請求項１に記載の波長変換材料。
7. ｚ＋ｗ＞０である、請求項１に記載の波長変換材料。
8. ａ． 青色光を放つ発光ダイオードと、
   ｂ． 前記青色光の経路内に配置された波長変換材料であり、当該波長変換材料は、ＡＥ_{３−ｘ１−ｙ＋ｚ}ＲＥ_{３−ｘ２＋ｙ−ｚ}［Ｓｉ_９−ｗＡｌ_ｗ（Ｎ_１−ｙＣ_ｙ）^［４］（Ｎ_{１６−ｚ−ｗ}Ｏ_ｚ＋ｗ）^［２］］：Ｅｕ_ｘ１，Ｃｅ_ｘ２を有し、ただし、ＡＥ＝Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ、ＲＥ＝Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ，Ｓｃ、０≦ｘ１≦０．１８、０≦ｘ２≦０．２、ｘ１＋ｘ２＞０、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦３、０≦ｗ≦３である、波長変換材料と、
   を有するデバイス。
9. 前記波長変換材料は立方晶結晶構造を持つ、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記波長変換材料は、Ｘ^［２］（Ｘ＝Ｎ，Ｏ）原子による１つのＥｕ^２＋ドーパントサイトの立方晶配位を示す、請求項８に記載のデバイス。
11. 前記波長変換材料は、星形のＹ（ＳｉＸ_４）_４（Ｙ＝Ｃ，Ｎ）ホスト格子ビルディングブロックを有する、請求項８に記載のデバイス。
12. ＡＥ＋ＲＥの平均有効イオン半径は１２０ｐｍ以下である、請求項８に記載のデバイス。
13. 前記波長変換材料は、赤色であるピーク波長を持つ光を放出する第１の波長変換材料であり、当該デバイスは更に、黄色又は緑色であるピーク波長を持つ光を放出する第２の波長変換材料を有する、請求項８に記載のデバイス。
14. 前記波長変換材料はセラミックに形成されている、請求項８に記載のデバイス。

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